WO2015133417A1 - センサ装置及び伸縮構造体 - Google Patents

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WO2015133417A1
WO2015133417A1 PCT/JP2015/056038 JP2015056038W WO2015133417A1 WO 2015133417 A1 WO2015133417 A1 WO 2015133417A1 JP 2015056038 W JP2015056038 W JP 2015056038W WO 2015133417 A1 WO2015133417 A1 WO 2015133417A1
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WO
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dielectric layer
sensor element
electrode layer
layer
sensor device
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Application number
PCT/JP2015/056038
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English (en)
French (fr)
Inventor
大高　秀夫
野中　敬三
迫　康浩
勇喜 阿部
Original Assignee
バンドー化学株式会社
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Publication date
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Priority to US15/123,067 priority patent/US10209055B2/en
Priority to KR1020167023226A priority patent/KR20160129006A/ko
Priority to EP15758016.8A priority patent/EP3115740A4/en
Priority to JP2016506470A priority patent/JPWO2015133417A1/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/22—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in capacitance
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2417—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device and a telescopic structure using the sensor device.
  • Patent Document 1 a muscle strengthening band has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • the muscle reinforcing band disclosed in Patent Document 1 is used by expanding and contracting a band mainly composed of a rubber-like elastic body.
  • the muscle reinforcement band is configured such that a scale or a mark is engraved on the surface of the band so that the user can check the deformation amount of the band.
  • the muscle strengthening band (rehabilitation device) described in Patent Document 1 is difficult to recognize scales and characters displayed on the surface of the band when used by patients with mild dementia or elderly people with impaired vision (or , Cannot be recognized). Moreover, even if the amount of deformation of the band could be confirmed at the time of use, it alone did not lead to an increase in motivation to encourage rehabilitation and actively perform rehabilitation.
  • An object of the present invention is to provide a sensor device that can easily and reliably measure the amount of deformation of a measurement object, and further to provide a telescopic structure provided with such a sensor device.
  • the present inventors have used a sensor element including a sheet-like dielectric layer that can be reversibly deformed in a plane direction, and electrode layers that can be deformed following the dielectric layer on both sides thereof. The present inventors have found that the sensor device is suitable for achieving the above object and completed the present invention.
  • the sensor device of the present invention comprises a sheet-like dielectric layer made of an elastomer composition and a conductive composition containing carbon nanotubes, and at least partly sandwiching the dielectric layer between the front and back surfaces of the dielectric layer. And a sensor element that is reversibly deformed so that the area of the main surface of the dielectric layer changes, with the opposing part of the electrode layer as a detection unit A converter that is electrically connected to the element and changes the capacitance of the detection unit that changes according to the deformation of the dielectric layer, and outputs the information as information that can be recognized by any of the five senses. And an output device.
  • the dielectric layer can be deformed so that the area of the main surface increases by 30% or more from the non-stretched state.
  • the information is preferably at least one of information based on sound and information based on light.
  • a telescopic structure includes an extendable instrument body and the sensor device of the present invention integrated with the instrument body, and the sensor element expands and contracts following the extension and contraction of the instrument body.
  • the instrument body is preferably an expander or a rehabilitation tube.
  • the sheet-like dielectric layer constituting the sensor element is made of an elastomer composition
  • the electrode layer is made of a conductive composition containing carbon nanotubes. Therefore, the dielectric layer can be greatly deformed in the plane direction, and the electrode layer can also be deformed following the deformation of the dielectric layer. Therefore, according to the sensor device of the present invention, it is possible to measure the deformation state even if the measurement object is greatly deformed (stretched).
  • the sensor device of the present invention is integrated with a stretchable instrument body. Therefore, in the telescopic structure, the deformation (expanded) state of the instrument body can be reliably recognized by the sensor device.
  • FIG. 1 It is the schematic which shows an example of the sensor apparatus of this invention.
  • (A) is a perspective view schematically showing an example of a sensor element constituting the sensor device of the present invention, and (b) is a cross-sectional view taken along line AA of (a).
  • (A)-(e) is a figure which shows typically an example of the expansion-contraction structure of this invention, respectively.
  • (A)-(d) is a perspective view for demonstrating the manufacturing process of the sensor element in an Example. It is the schematic which shows the sensor apparatus produced in the Example.
  • the sensor device of the present invention comprises a sheet-like dielectric layer made of an elastomer composition and a conductive composition containing carbon nanotubes, and at least partly sandwiching the dielectric layer between the front and back surfaces of the dielectric layer. And a sensor element that is reversibly deformed so that the area of the main surface of the dielectric layer changes, with the opposing part of the electrode layer as a detection unit A converter that is electrically connected to the element and changes the capacitance of the detection unit that changes according to the deformation of the dielectric layer, and outputs the information as information that can be recognized by any of the five senses. And an output device.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of the sensor device of the present invention.
  • FIG. 2A is a perspective view schematically showing an example of a sensor element constituting the sensor device of the present invention
  • FIG. 2B is a sectional view taken along line AA in FIG.
  • the sensor device 1 is electrically connected to a sensor element 2 for detecting capacitance and the sensor element 2, and the capacitance detected by the sensor element 2 is converted into electrical characteristics.
  • a converter 3 that is electrically connected to the converter 3 and outputs the electrical characteristics as information that can be recognized by five senses such as light emission information.
  • the converter 3 includes a Schmitt trigger oscillation circuit 3a for converting the capacitance C into the frequency signal F, and an F / V conversion circuit 3b for converting the frequency signal F into the voltage signal V.
  • the converter 3 converts the capacitance C detected by the detection unit of the sensor element 2 into a frequency signal F, further converts it into a voltage signal V, and transmits it to the output unit 4.
  • the voltage signal may be amplified by an amplifier (not shown) and then transmitted to the output unit 4.
  • the output device 4 includes a PIC control circuit 4a and an LED display unit 4b in which a plurality of LED elements having different emission colors are arranged.
  • the output device 4 turns on a predetermined LED element via the PIC control circuit 4a in accordance with the voltage signal received from the converter 3.
  • the sensor element 2 includes a sheet-like dielectric layer 11 made of an elastomer composition and a front electrode layer laminated on the surface (front surface) of the dielectric layer 11.
  • 12A a back side electrode layer 12B laminated on the back surface of the dielectric layer 11, a front side wire 13A connected to the front side electrode layer 12A, a back side wire 13B connected to the back side electrode layer 12B, and a front side electrode of the front side wire 13A 14 A of front side connection parts attached to the edge part on the opposite side to layer 12 A, back side connection part 14 B attached to the edge part on the opposite side to back side electrode layer 12 B of back side wiring 13 B, and the front side and back side of dielectric layer 11 A front-side protective layer 15A and a back-side protective layer 15B laminated on each of them are provided.
  • the front-side electrode layer 12A and the back-side electrode layer 12B have the same plan view shape, and the front-side electrode layer 12A and the back-side electrode layer 12B face each other across the dielectric layer 11.
  • a portion where the front side electrode layer 12A and the back side electrode layer 12B face each other serves as a detection unit.
  • the front-side electrode layer and the back-side electrode layer included in the sensor element do not necessarily have to face each other across the dielectric layer, and at least part of them may be opposed.
  • Such a sensor element can be deformed (stretched) in the plane direction because the dielectric layer is made of an elastomer composition.
  • the dielectric layer is made of an elastomer composition.
  • the front electrode layer and the back electrode layer are tracked following the deformation.
  • the protective layer is deformed.
  • the capacitance of the detection unit changes in correlation with the deformation amount of the dielectric layer. Therefore, the deformation amount of the sensor element can be detected by detecting the change in the capacitance of the detection unit.
  • the dielectric layer is a sheet-like material made of an elastomer composition.
  • the dielectric layer can be reversibly deformed so that the area of its main surface changes.
  • elastomer composition what contains an elastomer and another arbitrary component as needed is mentioned.
  • the elastomer include natural rubber, isoprene rubber, nitrile rubber (NBR), ethylene propylene rubber (EPDM), styrene / butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), chloroprene rubber (CR), silicone rubber, and fluorine.
  • Examples thereof include rubber, acrylic rubber, hydrogenated nitrile rubber, and urethane rubber. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, urethane rubber and silicone rubber are preferable. This is because the permanent set (or permanent elongation) is small. Furthermore, urethane rubber is particularly preferable because it has excellent adhesion to carbon nanotubes compared to silicone rubber.
  • the urethane rubber is formed by reacting at least a polyol component and an isocyanate component.
  • the urethane rubber include, for example, an olefin urethane rubber having an olefin polyol as a polyol component, an ester urethane rubber having an ester polyol as a polyol component, an ether urethane rubber having an ether polyol as a polyol component, Examples thereof include a carbonate-based urethane rubber having a carbonate-based polyol as a polyol component, and a castor oil-based urethane rubber having a castor oil-based polyol as a polyol component. These may be used alone or in combination of two or more.
  • the urethane rubber may be a combination of two or more polyol components.
  • Examples of the olefin-based polyol include Epol (made by Idemitsu Kosan Co., Ltd.) and the like.
  • Examples of the ester-based polyol include Polylite 8651 (manufactured by DIC).
  • Examples of the ether polyol include polyoxytetramethylene glycol, PTG-2000SN (Hodogaya Chemical Co., Ltd.), polypropylene glycol, Preminol S3003 (Asahi Glass Co., Ltd.), Pandex GCB-41 (DIC Corporation). Etc.
  • a chain extender, a crosslinking agent, a catalyst, a vulcanization accelerator and the like may be added to the reaction system as necessary.
  • the said elastomer composition may contain additives, such as a plasticizer, antioxidant, anti-aging agent, and a coloring agent, in addition to an elastomer.
  • the elastomer composition may contain a dielectric filler such as barium titanate. This is because the capacitance C of the dielectric layer can be increased, and as a result, the detection sensitivity of the sensor element can be increased.
  • the dielectric filler When the dielectric filler is contained, its content in the elastomer composition is usually more than 0% by volume and about 25% by volume or less. When the content of the dielectric filler exceeds 25% by volume, the hardness of the dielectric layer may increase or permanent set may increase. Further, when forming a dielectric layer made of urethane rubber, it may be difficult to form a dielectric layer having a uniform thickness because the liquid viscosity before curing increases.
  • the average thickness of the dielectric layer is preferably 10 to 1000 ⁇ m from the viewpoint of improving the detection sensitivity by increasing the capacitance C and improving the followability to the measurement object. More preferably, it is 30 to 200 ⁇ m.
  • the dielectric layer is preferably deformable so that the area of the principal surface increases by 30% or more from the unstretched state.
  • the dielectric layer having such characteristics is suitable for deformation following the deformation of the measurement object when used by being attached to the measurement object.
  • being deformable so as to increase by 30% or more means that it does not break even when the load is increased and the area is increased by 30%, and when the load is released, it is restored to its original state (that is, It is in the range of elastic deformation.
  • the deformable range so as to increase the area of the principal surface of the dielectric layer is more preferably 50% or more, still more preferably 100% or more, and particularly preferably 200% or more.
  • the deformable range in the surface direction of the dielectric layer can be controlled by the design (material, shape, etc.) of the dielectric layer.
  • the relative dielectric constant of the dielectric layer at room temperature is preferably 2 or more, and more preferably 5 or more. If the relative dielectric constant of the dielectric layer is less than 2, the capacitance C becomes small, and there is a possibility that sufficient sensitivity as a sensor element cannot be obtained.
  • the Young's modulus of the dielectric layer is preferably 0.1 to 10 MPa.
  • the Young's modulus is less than 0.1 MPa, the dielectric layer is too soft, high quality processing is difficult, and sufficient measurement accuracy may not be obtained.
  • the Young's modulus exceeds 10 MPa, the dielectric layer is too hard, for example, there is a risk of inhibiting the deformation of the instrument body when attached to an extendable instrument body.
  • the hardness of the dielectric layer is 0 to 30 ° using a type A durometer according to JIS K 6253 (JIS A hardness), or a type C durometer according to JIS K 7321.
  • the used hardness is preferably 10 to 55 °. If the dielectric layer is too soft, high quality processing is difficult, and sufficient measurement accuracy may not be ensured. On the other hand, if the dielectric layer is too hard, for example, when the dielectric layer is attached to an extendable instrument body, the instrument body may be prevented from deforming.
  • the electrode layers are made of a conductive composition containing carbon nanotubes.
  • a known carbon nanotube can be used as the carbon nanotube.
  • the carbon nanotube may be a single-walled carbon nanotube (SWNT), a double-walled carbon nanotube (DWNT), or a multi-walled carbon nanotube (MWNT) of three or more layers (in the present specification, both Together, they are simply referred to as multi-walled carbon nanotubes).
  • SWNT single-walled carbon nanotube
  • DWNT double-walled carbon nanotube
  • MWNT multi-walled carbon nanotube
  • two or more types of carbon nanotubes having different numbers of layers may be used in combination.
  • each carbon nanotube is not particularly limited, and the purpose of use of the sensor device, the conductivity and durability required for the sensor element, and the formation of an electrode layer are also formed. Therefore, it is only necessary to make a comprehensive decision on the processing and cost for the selection.
  • the carbon nanotube is preferably a carbon nanotube having an average length of 50 ⁇ m or more.
  • An electrode layer formed using carbon nanotubes having such a long fiber length is excellent in electrical conductivity, and its electric resistance hardly increases when deformed following the deformation of the dielectric layer (particularly when stretched). Furthermore, it has an excellent characteristic that there is little variation in electrical resistance even if it is repeatedly expanded and contracted.
  • the electrical resistance may increase with the deformation of the electrode layer, or the variation in electrical resistance may increase when the electrode layer is repeatedly expanded and contracted. . In particular, such inconvenience is likely to occur when the amount of deformation of the sensor element (dielectric layer) increases.
  • the preferable upper limit of the average length of the carbon nanotube is 1000 ⁇ m. Carbon nanotubes having an average length exceeding 1000 ⁇ m are difficult to manufacture and obtain at present. If the average length exceeds 1000 ⁇ m, as will be described later, when a carbon nanotube dispersion is applied to form an electrode layer, a conductive path is difficult to be formed due to insufficient dispersibility of the carbon nanotubes. As a result, there is a concern that the conductivity of the electrode layer becomes insufficient.
  • the lower limit of the average length of the carbon nanotubes is preferably 100 ⁇ m, and the upper limit is preferably 600 ⁇ m.
  • the electrical conductivity is excellent, the electrical resistance hardly increases when stretched, and the variation in electrical resistance is small when repeatedly stretched. It can be surely secured.
  • the fiber length of the carbon nanotube may be measured from an observation image obtained by observing the carbon nanotube with an electron microscope.
  • the average length of the carbon nanotubes may be calculated based on, for example, the fiber lengths of 10 carbon nanotubes randomly selected from the observed image of the carbon nanotubes.
  • the average fiber diameter of the carbon nanotube is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 30 nm.
  • the fiber diameter is less than 0.5 nm, the dispersion of the carbon nanotubes is deteriorated. As a result, the conductive path is not widened, and the conductivity of the electrode layer may be insufficient.
  • the average fiber diameter of the carbon nanotube is more preferably 5 to 20 nm.
  • multi-walled carbon nanotubes are preferable to single-walled carbon nanotubes.
  • single-walled carbon nanotubes even when carbon nanotubes having an average length in the above-mentioned preferred range are used, the electrical resistance increases, the electrical resistance increases greatly during stretching, or the electrical resistance during repeated expansion and contraction. May vary widely. This is presumed as follows. That is, since single-walled carbon nanotubes are usually synthesized as a mixture of metallic carbon nanotubes and semiconducting carbon nanotubes, the presence of these semiconducting carbon nanotubes increases electrical resistance or increases electrical resistance when stretched. It is speculated that this is the cause of the increase or the electric resistance greatly varies during repeated expansion and contraction.
  • the carbon nanotube is preferably a multi-walled carbon nanotube.
  • the carbon nanotubes preferably have a carbon purity of 99% by weight or more.
  • Carbon nanotubes may contain catalytic metals, dispersants, and the like in the production process.
  • impurities components other than such carbon nanotubes are used, the decrease in conductivity or May cause variations in electrical resistance.
  • the substrate growth method is a kind of CVD method, and is a method for producing carbon nanotubes by growing a carbon catalyst by supplying a carbon source to a metal catalyst coated on the substrate.
  • the substrate growth method is a production method suitable for producing carbon nanotubes having relatively long fiber lengths and uniform fiber lengths. Therefore, it is suitable as a method for producing carbon nanotubes used in the present invention.
  • the fiber length of the carbon nanotube is substantially the same as the growth length of the CNT forest. Therefore, when the fiber length of the carbon nanotube is measured using an electron microscope, the growth length of the CNT forest may be measured.
  • the conductive composition may contain, for example, a binder component in addition to the carbon nanotube.
  • the binder component functions as a binder material, and by including the binder component, the adhesion between the electrode layer and the dielectric layer and the strength of the electrode layer itself can be improved. Furthermore, when the binder component is contained, since the scattering of the carbon nanotubes can be suppressed when the electrode layer is formed by the method described later, the safety at the time of forming the electrode layer can be improved.
  • binder component examples include butyl rubber, ethylene propylene rubber, polyethylene, chlorosulfonated polyethylene, natural rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, styrene / butadiene rubber, polystyrene, chloroprene rubber, nitrile rubber, polymethyl methacrylate, polyacetic acid.
  • examples include vinyl, polyvinyl chloride, acrylic rubber, styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer (SEBS), and the like.
  • SEBS styrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer
  • raw rubber in a state where natural rubber and synthetic rubber are not vulcanized
  • the followability of the electrode layer to the deformation of the dielectric layer can be enhanced.
  • the binder component preferably has a solubility parameter (SP value [cal / cm 3 ) 1/2 ]) close to that of the elastomer constituting the dielectric layer, and the absolute value of the difference between the solubility parameters (SP value) of the binder component is 1.
  • SP value is a value calculated by Fedors' estimation method.
  • the binder component is preferably the same type as the elastomer constituting the dielectric layer. This is because the adhesion between the dielectric layer and the electrode layer can be remarkably improved.
  • the conductive composition may further contain various additives in addition to the carbon nanotube and the binder component.
  • the additive include a dispersant for enhancing the dispersibility of carbon nanotubes, a crosslinking agent for a binder component, a vulcanization accelerator, a vulcanization aid, and an anti-aging agent, a plasticizer, and a softening agent.
  • coloring agents include a plasticizer and the elastomer composition for forming the dielectric layer also contains a plasticizer, the plasticizer concentration in both compositions is the same. Is preferred. This is because the migration of the plasticizer between the dielectric layer and the electrode layer can be prevented, and the occurrence of warpage and wrinkles in the sensor element can be suppressed.
  • the electrode layer may be formed substantially only from carbon nanotubes. Also in this case, sufficient adhesion with the dielectric layer can be ensured. In this case, the carbon nanotube and the dielectric layer are firmly adhered by van der Waals force or the like.
  • the carbon nanotube content in the electrode layer is not particularly limited as long as it is a concentration at which conductivity is developed.
  • the content of the carbon nanotube is preferably 0.1 to 100% by weight based on the total solid component of the electrode layer, although it varies depending on the kind of the binder component.
  • the conductivity of the electrode layer can be improved. Therefore, the required conductivity can be ensured even if the electrode layer is thinned, and as a result, it is easier to make the electrode layer thin and to ensure the flexibility of the electrode layer.
  • the average thickness of the electrode layer is preferably 0.1 to 10 ⁇ m.
  • the electrode layer can exhibit better followability with respect to deformation of the dielectric layer.
  • the average thickness is less than 0.1 ⁇ m, the conductivity is insufficient, and the measurement accuracy as a sensor element may be lowered.
  • the average thickness exceeds 10 ⁇ m, the sensor element becomes hard due to the reinforcing effect of the carbon nanotubes, and the stretchability of the sensor element decreases. As a result, when the sensor element is attached to an extendable instrument body, followability to the instrument body may be reduced, or deformation of the instrument body may be hindered.
  • the “average thickness of the electrode layer” can be measured using a laser microscope (for example, VK-9510 manufactured by Keyence Corporation). Specifically, for example, after scanning the thickness direction of the electrode layer formed on the surface of the dielectric layer in steps of 0.01 ⁇ m and measuring its 3D shape, the region where the electrode layer on the dielectric layer is laminated And in the area
  • a laser microscope for example, after scanning the thickness direction of the electrode layer formed on the surface of the dielectric layer in steps of 0.01 ⁇ m and measuring its 3D shape, the region where the electrode layer on the dielectric layer is laminated And in the area
  • the transparency of the electrode layer is not particularly limited, and may be transparent (for example, a visible light (550 nm light) transmittance of 85% or more) or may be opaque.
  • pre-processing such as an advanced dispersion process and a refinement
  • the formation process of an electrode layer becomes complicated and becomes economically disadvantageous.
  • the transparency of the electrode layer does not affect the performance as a capacitive sensor sheet. Therefore, a transparent electrode layer may be formed when transparency is required for the capacitive sensor sheet, and an opaque electrode layer may be formed otherwise.
  • the sensor element may have a front side wiring and a back side wiring connected to the electrode layer as necessary.
  • the wiring front wiring and back wiring
  • the wiring may be any wiring that does not hinder the deformation of the dielectric layer and can maintain conductivity even when the dielectric layer is deformed. Specific examples include those made of the same material as the electrode layer.
  • a connecting portion may be formed at the end of each of the front side wiring and the back side wiring on the opposite side to the electrode layer.
  • a connecting portion may be formed.
  • said back side connection part what was formed using copper foil etc. is mentioned, for example.
  • the sensor element has a protective layer (front side protective layer and / or back side protective layer) laminated on the outermost layer on the front side and / or the outermost layer on the back side as necessary. Also good.
  • a protective layer front side protective layer and / or back side protective layer laminated on the outermost layer on the front side and / or the outermost layer on the back side as necessary. Also good.
  • the material of the said protective layer is not specifically limited, What is necessary is just to select suitably according to the required characteristic. Specific examples include the same materials as the dielectric layer.
  • the electrode at the second cycle of 100% stretched Change rate of electrical resistance of the electrode layer at 100% elongation at the 1000th cycle with respect to the electrical resistance of the layer ([1000th cycle, electrical resistance value at 100% elongation] ⁇ [second cycle, at 100% elongation)
  • the absolute value of [electric resistance value]] / [electric resistance value at the second cycle, 100% elongation] ⁇ 100) is preferably small. Specifically, it is preferably 10% or less, and more preferably 5% or less.
  • the reason why the electrical resistance of the electrode layer after the second cycle, not the first cycle, is to be evaluated is that the electrode at the time of extension at the first extension (first cycle) extended from the unextended state. This is because the behavior of the layer (how the electric resistance fluctuates) is greatly different from that during the second and subsequent expansion (second cycle). It is presumed that this is because the state of the carbon nanotube constituting the electrode layer is stabilized only after the sensor element is produced and then stretched once.
  • the sensor element can be manufactured, for example, through the following steps. That is, (1) a step of producing a dielectric layer made of an elastomer composition (step (1)), and (2) A step of applying a composition containing carbon nanotubes and a dispersion medium to a dielectric layer to form electrode layers (front-side electrode layer and back-side electrode layer) (step (2)), It can manufacture by going through.
  • a dielectric layer made of an elastomer composition is produced.
  • an elastomer (or a raw material thereof) is added to a chain extender, a crosslinking agent, a vulcanization accelerator, a catalyst, a dielectric filler, a plasticizer, an antioxidant, an antioxidant, a colorant, etc.
  • a raw material composition containing the additive is prepared.
  • a dielectric layer is produced by molding this raw material composition.
  • a conventionally well-known method can be employ
  • a dielectric layer containing urethane rubber when forming a dielectric layer containing urethane rubber, the following method or the like can be used. First, a polyol component, a plasticizer, and an antioxidant are weighed and stirred and mixed for a certain time under heating and reduced pressure to prepare a mixed solution. Next, after measuring the mixed solution and adjusting the temperature, the catalyst is added and stirred with an agitator or the like. Thereafter, a predetermined amount of an isocyanate component is added, and after stirring with an agitator or the like, the mixed solution is immediately poured into the molding apparatus shown in FIG. A roll-wrapped sheet having a predetermined thickness is obtained. Thereafter, the dielectric layer can be produced by crosslinking after a certain time in a furnace.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an example of a molding apparatus used for producing a dielectric layer.
  • the raw material composition 33 is poured into the gap between the protective films 31 made of polyethylene terephthalate (PET) that is continuously fed out from a pair of rolls 32, 32 that are spaced apart from each other. While proceeding with a curing reaction (crosslinking reaction) with the raw material composition 33 held in the gap, it was introduced into the heating device 34 and thermally cured with the raw material composition 33 held between the pair of protective films 31, A sheet-like dielectric layer 35 is formed.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the dielectric layer may be prepared using a general-purpose film forming apparatus or film forming method such as various coating apparatuses, bar coaters, doctor blades, etc. after preparing the raw material composition.
  • a general-purpose film forming apparatus or film forming method such as various coating apparatuses, bar coaters, doctor blades, etc. after preparing the raw material composition.
  • Step (2) In this step, a composition containing carbon nanotubes and a dispersion medium (carbon nanotube dispersion) is applied, and then the dispersion medium is removed by a drying process to form an electrode layer integrated with the dielectric layer. .
  • a composition containing carbon nanotubes and a dispersion medium carbon nanotube dispersion
  • carbon nanotubes are added to the dispersion medium.
  • a coating liquid carbon nanotube dispersion liquid
  • each component including carbon nanotubes may be dispersed using an existing disperser such as an ultrasonic disperser, a jet mill, or a bead mill.
  • dispersion medium examples include toluene, methyl isobutyl ketone (MIBK), alcohols, water, and the like. These dispersion media may be used independently and may be used together 2 or more types.
  • the concentration of carbon nanotubes is preferably 0.01 to 10% by weight. If the concentration is less than 0.01% by weight, the concentration of the carbon nanotubes may be too thin, and it may be necessary to apply repeatedly. On the other hand, if it exceeds 10% by weight, the viscosity of the coating solution becomes too high, and the dispersibility of the carbon nanotubes decreases due to reaggregation, which may make it difficult to form a uniform electrode layer.
  • the coating liquid is applied to a predetermined position on the surface of the dielectric layer by spray coating or the like and dried.
  • the coating solution may be applied after masking a position where the electrode layer on the surface of the dielectric layer is not formed.
  • the drying conditions for the coating solution are not particularly limited, and may be appropriately selected according to the type of the dispersion medium, the composition of the elastomer composition, and the like.
  • the method of applying the coating solution is not limited to spray coating.
  • a screen printing method, an ink jet printing method, or the like can be employed.
  • the surface of the dielectric layer may be pretreated before the electrode layer is formed in order to improve the adhesion between the dielectric layer and the electrode layer.
  • the electrode layer formed using the carbon nanotube and the dielectric layer have extremely excellent adhesion. Therefore, sufficient adhesion between the dielectric layer and the electrode layer can be ensured without performing the pretreatment.
  • the wiring connected to the electrode layer is formed by, for example, applying the carbon nanotube dispersion liquid (coating liquid) to a predetermined portion and drying the same using the same method as that for forming the electrode layer. be able to. Further, the formation of the wiring may be performed simultaneously with the formation of the electrode layer.
  • the connection portion can be formed, for example, by attaching a copper foil or the like to a predetermined end of the wiring.
  • a protective layer in the outermost layer of a front side and / or a back side.
  • the protective layer is formed by, for example, forming a sheet-like material made of an elastomer composition using the same method as in the above step (1), cutting it into a predetermined size, and laminating it. can do.
  • the constituent members back side electrode layer, dielectric layer, front side electrode layer, front side protective layer
  • a sensor element may be manufactured.
  • the sensor element can be manufactured through such steps.
  • the sensor elements shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b) are provided with one detection unit.
  • the number of detection units is limited to one.
  • it may be provided with a plurality of detection units.
  • a sensor element provided with a plurality of detection units for example, when a plurality of rows of strip-like electrode layers are formed on the front and back surfaces of the dielectric layer as the front-side electrode layer and the back-side electrode layer, And sensor elements arranged such that the rows of the front-side electrode layers and the rows of the back-side electrode layers are orthogonal to each other.
  • a plurality of portions where the front side electrode layer and the back side electrode layer are opposed to each other with the dielectric layer interposed therebetween serve as a detection unit, and the detection units are arranged in a lattice shape.
  • the converter is electrically connected to the sensor element.
  • the converter has a function of measuring the capacitance of the detection unit that changes in accordance with the deformation of the dielectric layer, and converting the capacitance into other electrical characteristics.
  • the method for converting the capacitance to other electrical characteristics is not particularly limited, and a conventionally known method can be employed. Examples of the other electrical characteristics include a frequency signal and a voltage signal.
  • a method for converting the capacitance into a frequency signal is not particularly limited, and a conventionally known method can be used.
  • a method using a Schmitt trigger oscillation circuit as described above can be used.
  • the method using the Schmitt trigger oscillation circuit is suitable for downsizing the sensor device, and can provide an oscillator (sensor device) at low cost.
  • the frequency signal may be further converted into a voltage signal.
  • This conversion may be performed using a known F / V conversion circuit.
  • the capacitance may be directly converted into a voltage signal using a known method.
  • Such a converter transmits the frequency signal, the voltage signal, and the like to the output device after converting the capacitance into other electrical characteristics.
  • the converter converts the capacitance into a frequency signal using a Schmitt trigger oscillation circuit or the like, and then distributes the frequency signal into two signals. After that, one signal is a voltage signal or the like as described above.
  • the other signals may be converted to other signals, and the remaining signals may be transmitted to the output device as frequency signals.
  • the converter may include, for example, an amplifier for amplifying a frequency signal, a voltage signal, or the like, a frequency divider for converting the frequency of the frequency signal, or the like.
  • what kind of electrical characteristic (electric signal) the electrostatic capacitance in the sensor element is converted may be determined in consideration of the type of information output from the output unit.
  • the output device has a function of outputting the electrical characteristics (electric signal) output from the converter as information that can be recognized by any of the five senses.
  • the information that can be recognized by any of the five senses is preferably information that can be recognized visually or auditorily.
  • the information is light emission information (information by light) or information by sound as described above. With this information, the user can easily and reliably recognize the information, and moreover, it is suitable for obtaining information simultaneously with the use of the sensor device (while using the sensor device). It is.
  • the type of information to be output can be selected according to the user's condition (for example, when the visual acuity is weak but the hearing is normal or vice versa).
  • the output device is composed of a PIC control circuit and an LED display unit in which a plurality of LED elements are arranged as in the example shown in FIG. 1, for example, all the sensor elements are in an undeformed state as the LED display unit.
  • Examples include LED display units configured such that the number of LED elements that are turned on sequentially increases as the amount of deformation of the sensor elements increases as the LED elements are turned off.
  • each LED element may emit light in a different color, or may emit light in the same color.
  • the LED element may change in light emission intensity. Further, the number of LED elements in the LED display unit may be one.
  • the function of the converter may be incorporated in the PIC control circuit.
  • the output device When the output device outputs information by sound, for example, the output device includes an audio amplifier and a speaker, and the level of the sound changes according to the amount of deformation of the sensor element (the amount of deformation is small). And a high tone, and when the amount of deformation is large, it sounds a low tone, etc.) and the magnitude of the sound changes. Further, when the output device outputs information by sound, the information may be sound. In the above output device, a conventionally known method may be appropriately employed as a specific means for outputting information recognizable with five senses such as information by sound and light emission information.
  • connection between the converter 3 and the output device 4 is wired.
  • these connections are not necessarily made in a wired manner, and may be connected wirelessly.
  • a terminal device such as a personal computer, a smartphone, or a tablet
  • information that can be recognized by the five senses such as sound, light, image, numerical information, etc. It can also be set as the output device which outputs.
  • the capacitance of the detection unit changes according to the deformation (expansion / contraction) of the dielectric layer. Therefore, by outputting the capacitance as sound information or light emission information, the sensor element is deformed. Can be recognized by the user. Therefore, for example, when the sensor element is attached to a deformable measurement object and used, the deformation state can be known.
  • the sensor device can be used as an information transmitter that transmits information reflecting the user's intention when the user actively deforms the sensor element.
  • the information to be transmitted is information by sound, it can also be used as a sound source or a sound generator.
  • a telescopic structure according to the present invention includes an extendable instrument body and the sensor device of the present invention integrated with the instrument body, and the sensor element expands and contracts following the extension and contraction of the instrument body.
  • Fig.4 (a) is a top view which shows typically an example of the expansion-contraction structure of this invention.
  • the stretchable structure 100 shown in FIG. 4A is a stretchable structure having a strip-shaped elastomer tube 102 which is an example of a rehabilitation tube (training tube) as an instrument body.
  • the elastomer tube 102 and the sensor device 101 of the present invention are integrated.
  • the sensor element 101a constituting the sensor device 101 is attached to the surface of the elastomer tube 102 via an adhesive layer (not shown), and the display unit 101b incorporating the converter and the output device is connected to the lead wire.
  • the sensor element is connected via 103.
  • the adhesive layer to which the sensor element 101a is attached is laminated on the entire back surface of the sensor element 101a.
  • the sensor element 101a expands and contracts following the expansion and contraction of the elastomer tube 102 in the longitudinal direction, and the capacitance of the detection portion of the sensor element 101a changes according to the expansion / contraction amount. And as already demonstrated, information, such as a sound and light according to the detected electrostatic capacitance, is output from the output part incorporated in the display unit 101b. Therefore, the user can grasp
  • the information output from the output unit is audio information, depending on whether or not the stretch rate of the elastomer tube 102 has achieved a predetermined stretch rate, You may make it output the voice which encourages and gives up. Thereby, the motivation of the user's approach to rehabilitation can be further enhanced.
  • a predetermined expansion rate is exceeded, a voice notifying that it is overwork may be output.
  • the stretchable structure of the present invention may further include a storage unit for recording a measurement result in the sensor device. Thereby, the exercise result using the said expansion-contraction structure can be recorded.
  • the stretchable structure including the storage unit is particularly suitable for use in rehabilitation.
  • the specialist When a rehabilitation exercise is performed under the guidance of a specialist, the specialist generally prescribes the type, strength, frequency, frequency, etc. of the exercise for the user of the rehabilitation device.
  • the elastic structure used as a rehabilitation instrument has a storage unit, based on the information output from the output device, not only can the use state of the elastic structure be confirmed in real time, By recording the type, intensity, number of times, frequency, etc. of exercise in the storage unit, you can check the history of daily rehabilitation training, share information with experts, and be recorded. This information can be used as feedback information for a rehabilitation exercise prescription (rehabilitation program).
  • the stretchable structure of the present invention may have a structure as shown in FIGS. 4B to 4E.
  • FIG.4 (b) is a perspective view which shows typically another example of the expansion-contraction structure of this invention.
  • the stretchable structure 110 shown in FIG. 4B is a stretchable structure having an endless band 112 made of an elastomer, which is an example of a rehabilitation tube (training tube), as an instrument body.
  • the endless band 112 and the sensor device 111 of the present invention are integrated.
  • the sensor element 111a constituting the sensor device 111 is attached to the surface of the endless band 112 via an adhesive layer (not shown), and the display unit 111b incorporating the converter and the output device is connected to the lead wire.
  • the sensor element is connected via 113.
  • the adhesive layer to which the sensor element 111a is attached is laminated on the entire back surface of the sensor element 111a.
  • the sensor element 111 a expands and contracts following the expansion and contraction of the endless band 112, and the capacitance of the detection unit of the sensor element 111 a changes according to the amount of expansion and contraction.
  • information such as sound and light corresponding to the detected capacitance is output from the output unit built in the display unit 111b, and the user can determine the usage state of the stretchable structure 110 by information such as sound and light. Can be recognized.
  • FIG.4 (c) is sectional drawing which shows typically a part of another example of the expansion-contraction structure of this invention.
  • the elastic structure 120 shown in FIG. 4C is an elastic structure having an expander 122 in which a metal coil spring 122b is encapsulated in an elastomer tube 122a as an instrument body.
  • the expander 122 and the sensor device 121 of the present invention are integrated.
  • the sensor element 121 a constituting the sensor device 121 is attached to the surface of the expander 122 via an adhesive layer 124, and the display unit 121 b incorporating the converter and the output device is connected to the sensor via the lead wire 123. Connected to the element.
  • the adhesive layer 124 is laminated on the entire back surface of the sensor element 121a.
  • the sensor element 121a expands and contracts following the expansion and contraction of the expander 122, and the capacitance of the detection unit of the sensor element 121a changes according to the amount of expansion and contraction. Then, information such as sound and light corresponding to the detected capacitance is output from the output unit built in the display unit 121b, and the user can determine the usage state of the stretchable structure 120 by information such as sound and light. Can be recognized.
  • FIG.4 (d) is sectional drawing which shows typically another example of the expansion-contraction structure of this invention.
  • the elastic structure 130 shown in FIG. 4D includes a leaf spring 132a having a substantially arc-shaped curved portion, an elastomer layer 132b laminated on the curved portion, and gripping portions provided at both ends of the leaf spring 132a.
  • It is a telescopic structure comprising an instrument main body 132 provided with 132 c and a sensor device 131 attached to the instrument main body 132.
  • the sensor element 131a constituting the sensor device 131 is attached to the surface of the elastomer layer 132b of the instrument main body 132 via the adhesive layer 134, and the display unit 131b incorporating the converter and the output device is connected to the lead wire. It is connected to the sensor element via 133.
  • the adhesive layer 134 is laminated on the entire back surface of the sensor element 131a.
  • the elastomer layer 132b expands and contracts according to the bending state of the curved portion
  • the sensor element 131a expands and contracts following the expansion and contraction of the elastomer layer 132b
  • the electrostatic capacitance of the detection unit of the sensor element 131a corresponds to the expansion and contraction amount.
  • the capacity changes.
  • information such as sound and light corresponding to the detected capacitance is output from the output unit built in the display unit 131b, and the user can determine the usage state of the stretchable structure 130 by information such as sound and light. Can be recognized.
  • the instrument main body has a configuration as shown in FIGS. 4C and 4D, that is, the deformation of the instrument main body is secured by a metal elastic member such as a metal coil spring or a metal leaf spring
  • a metal elastic member such as a metal coil spring or a metal leaf spring
  • the metal elastic member is covered with an elastomer, a sufficiently soft elastomer can be used. Therefore, the stress applied to the elastomer can be reduced, the elastomer is not easily fatigued, and the life of the instrument body can be increased.
  • FIG.4 (e) is a perspective view which shows typically another example of the expansion-contraction structure of this invention.
  • a stretchable structure 140 shown in FIG. 4E is a stretchable structure having an elastomer body (rubber ball) 142 as an instrument body.
  • the rubber ball 142 and the sensor device 141 of the present invention are integrated.
  • the sensor element 141a constituting the sensor device 141 is attached to the surface of the rubber ball 142 via an adhesive layer (not shown), and the display unit 141b incorporating the converter and the output device is connected to the lead wire. It is connected to the sensor element via 143.
  • the adhesion layer is laminated
  • the sensor element 141a expands / contracts following the deformation (expansion / contraction) of the rubber ball 142, and the capacitance of the detection unit of the sensor element 141a changes according to the expansion / contraction amount. Then, information such as sound and light corresponding to the detected capacitance is output from the output unit built in the display unit 141b, and the user can determine the usage state of the stretchable structure 140 based on information such as sound and light. Can be recognized.
  • the instrument body is not limited to those illustrated in FIGS. 4A to 4E, and may be any stretchable structure.
  • the amount of deformation (extension / contraction) of the instrument body during use is too small, the amount of deformation of the sensor element that deforms following the instrument body is also small, and the amount of change in capacitance of the sensor element is too small. In this case, the amount of change in the instrument body may not be measured accurately. Therefore, in the normal use mode, the instrument body preferably has a deformation amount of a portion where the sensor element is integrated (attached) being 20% or more in terms of elongation deformation rate and about 10% or more in terms of area increase rate. . This is because an instrument body having a deformation amount in the above range is particularly suitable as a target for detecting the deformation amount by the sensor device of the present invention.
  • the instrument main body may be one that can be stretched by an elastomer as in the examples shown in FIGS. 4A, 4B, and 4E, or FIGS. 4C and 4D. Even if it is composed of a metal elastic member and an elastomer member provided around the elastic member as in the example shown in FIG. Good.
  • examples of the elastomer include natural rubber, synthetic rubber, thermoplastic elastomer, thermosetting polyurethane, and silicone rubber.
  • the elastomer has an appropriate elongation-stress characteristic (SS characteristic) and has a small permanent elongation even when repeatedly stretched. Is preferred.
  • the elastomer from the viewpoint of small permanent elongation during repeated expansion and contraction, for example, a cross-linked isoprene rubber which is a kind of natural rubber or synthetic rubber, or a thermoplastic elastomer designed so that permanent elongation is low is preferable. .
  • the instrument main body which consists of the material which does not contain the allergy causative material (for example, protein etc. which are contained in natural rubber).
  • the material of the elastomer may be the same as the material of the dielectric layer and the protective layer constituting the sensor device of the present invention. In this case, it becomes easy for the instrument body and the sensor element to exhibit the same deformation behavior.
  • an adhesive layer is laminated on the entire back surface of the sensor element, and the sensor element is attached to the instrument body.
  • the adhesive layer is not necessarily formed on the entire back side of the sensor element, and may be formed only on a part of the back side of the sensor element.
  • the said adhesion layer can be formed using a conventionally well-known adhesive, and the said adhesion layer should just follow these deformation
  • the method of attaching the sensor element to the instrument body is not limited to the method of forming the adhesive layer, and other conventionally known adhesion (adhesion) methods may be employed.
  • adhesion adhesion
  • a method of vulcanizing and bonding the sensor element and the instrument body directly or via an appropriate elastomer layer is employed. May be.
  • a display unit in which the converter and the output unit are integrated is connected to the sensor element via a separate lead wire.
  • a unit in which the sensor element and the transducer are integrated is attached to the instrument body, and this unit is connected to the output device via a separate lead wire or by wireless connection. May be.
  • the stretchable structure of the present invention is not limited to one in which the instrument body and the sensor device are separately manufactured and then bonded together. It may be integrated. Specifically, for example, a part of an elastomeric instrument body as shown in FIGS. 4A and 4B is used as a dielectric layer of the sensor element, and the instrument body is sandwiched between both surfaces of the instrument body. It is good also as an expansion-contraction structure with which the instrument main body and the sensor element were integrated by forming the electrode layer which opposes.
  • the sensor device of the present invention is integrated with a stretchable instrument body. Therefore, the expansion / contraction state (use state) according to the expansion / contraction of the instrument body can be notified to the user.
  • the stretchable structure of the present invention can be suitably used as, for example, a rehabilitation instrument or a training instrument.
  • FIG. 5 is a perspective view for explaining a manufacturing process of the sensor element in the embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic view showing a sensor device manufactured in the example.
  • ⁇ Rehabilitation tube with sensor device> 1.
  • Instrument Body A commercially available rehabilitation tube (Thera-Band (registered trademark), loop type # TLB-1 (importer / distributor: D & M), circumference 90 cm ⁇ width 7.5 cm) was used as the instrument body.
  • a roll-wound sheet with a predetermined thickness with a film was obtained. Then, after cross-linking in a furnace adjusted to 70 ° C. for 12 hours, a sheet made of a polyether urethane elastomer was produced. The obtained urethane sheet was cut into a size of 20 mm ⁇ 74 mm ⁇ thickness 100 ⁇ m, and one corner was cut off at a size of 10 mm ⁇ 7 mm ⁇ thickness 100 ⁇ m to produce a dielectric layer.
  • elongation at break (%) and a dielectric constant were measured.
  • the elongation at break (%) was 505% and the relative dielectric constant was 6.6.
  • the elongation at break was measured according to JIS K 6251.
  • the dielectric constant is measured by measuring the capacitance at a measurement frequency of 1 kHz using an LCR high tester (manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., 3522-50) after sandwiching a dielectric layer between 20 mm ⁇ electrodes, and then measuring the electrode area and the thickness of the measurement sample. Calculated from
  • Electrode layer material Highly oriented carbon nanotubes manufactured by Taiyo Nippon Sanso Co., Ltd., which are multi-walled carbon nanotubes manufactured by the substrate growth method (4 to 12 layers, fiber diameter 10 to 20 nm, fiber length 150 to 30 mg of 300 ⁇ m, carbon purity 99.5%) is added to 30 g of methyl isobutyl ketone (MIBK), and wet dispersion is performed using a jet mill (Nanojet PAL JN10-SP003, manufactured by Joko), and diluted 10 times. Thus, a carbon nanotube dispersion liquid having a concentration of 0.01% by weight was obtained.
  • MIBK methyl isobutyl ketone
  • FIGS. 5 (a) to 5 (d) Fabrication of sensor element A sensor element was fabricated through the fabrication steps shown in FIGS. 5 (a) to 5 (d).
  • a mask (not shown) in which an opening having a predetermined shape was formed on a PET film that had been subjected to a release treatment was attached to one surface (front surface) of the back-side protective layer 25B produced in the step (3).
  • the mask is provided with openings corresponding to the back electrode layer and the back wiring, and the size of the opening is 16 mm wide ⁇ 60 mm long corresponding to the back electrode layer, and the portion corresponding to the back wiring. It is 5 mm wide x 10 mm long.
  • the dielectric layer 21 produced in the step (1) was laminated on the back side protective layer 25B so as to cover the entire back side electrode layer 22B and a part of the back side wiring 23B. Furthermore, on the front side of the dielectric layer 21, the front side electrode layer 22A and the front side wiring 23A were formed using the same method as the formation of the back side electrode layer 22B and the back side wiring 23B (see FIG. 5B).
  • the front side prepared in the step (3) so that the front side of the dielectric layer 21 on which the front side electrode layer 22A and the front side wiring 23A are formed covers the entire front side electrode layer 22A and a part of the front side wiring 23A.
  • the protective layer 25A was laminated by lamination. Furthermore, copper foil was attached to the respective end portions of the front side wiring 23A and the back side wiring 23B to form the front side connection portion 24A and the back side connection portion 24B (see FIG. 5C). Thereafter, lead wires 29 serving as external wirings were fixed to the front side connection portion 24A and the back side connection portion 24B with solder.
  • an acrylic adhesive tape manufactured by 3M, Y-4905 (thickness 0.5 mm) is applied to the PET film 27 having a thickness of 100 ⁇ m on the portion of the front side connecting portion 24A and the back side connecting portion 24B located on the back side protective layer 25B. ) 26 for reinforcement.
  • the adhesive layer 28 produced in the above (4) was attached to the back side of the back side protective layer 25B to complete the sensor element 222 (see FIG. 5D).
  • the sensor element with the adhesive layer produced in (1) was attached and fixed.
  • a transducer and an output device were connected to the sensor element to produce a stretchable structure.
  • the configuration of the sensor device in the stretchable structure is as shown in FIG.
  • the sensor device 221 connects the sensor element 222 manufactured through the above (1) to (5) to a Schmitt trigger oscillation circuit (oscillation frequency at non-extension: 1 KHz) 223, and an audio amplifier It is connected to a speaker 226 (K36WP, manufactured by Visaton) through 225 (LM4889, manufactured by Texas Instruments).
  • Schmitt trigger oscillation circuit 223 a Schmitt inverter (model number: TC7W14F) manufactured by Toshiba Semiconductor & Storage Corporation is used as the Schmitt trigger inverter IC, and the resistor is composed of a fixed resistor and a variable resistor, and the total resistance value is about The frequency was adjusted to 1.8 M ⁇ , and fine adjustment was performed with a variable resistor so that the oscillation frequency without extension was 1 kHz.

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Abstract

　本発明は、容易に、かつ、確実に計測対象物の変形量等を計測することができるセンサ装置を提供することを目的とし、本発明のセンサ装置は、エラストマー組成物からなるシート状の誘電層と、カーボンナノチューブを含有する導電性組成物からなり、上記誘電層の表面及び裏面のそれぞれに上記誘電層を挟んで少なくとも一部が対向するよう形成された電極層とを有し、上記電極層の対向する部分を検出部とし、上記誘電層の主面の面積が変化するように可逆的に変形するセンサ素子と、上記センサ素子と電気的に接続され、上記誘電層の変形に応じて変化する上記検出部の静電容量を電気特性に変換する変換器と、上記電気特性を五感のいずれかで認識可能な情報として出力する出力器とを備える。

Description

センサ装置及び伸縮構造体
　本発明は、センサ装置、及び、そのセンサ装置を用いた伸縮構造体に関する。
　近年、認知症を患う人の数は年々増加しており、認知症患者の多くは介護を要する高齢者でもある。そのため、筋力の衰えた老人が能動的にリハビリテーションに励めるような器具に対するニーズも強くなっている。
　リハビリテーションに用いる器具としては、例えば、筋強化バンドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　この特許文献１に開示された筋強化バンドは、ゴム状弾性体を主材とするバンドを伸縮させて使用するものである。上記筋強化バンドは、バンドの表面に目盛や目印が刻印されており、使用者がバンドの変形量を確認することができるように構成されている。
実開昭６１－７３３６２号公報
　しかしながら、特許文献１に記載された筋強化バンド（リハビリテーション器具）は、軽度の認知症患者や視力の衰えた老人が使用する場合、バンドの表面に表示された目盛や文字を認識しにくい（または、認識することができない）という問題があった。
　また、使用時にバンドの変形量を確認することができたとしても、それだけではリハビリテーションに励み、積極的にリハビリテーションを行おうとするモチベーションの上昇には繋がりにくかった。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、容易に、かつ、確実に計測対象物の変形量等を計測することができるセンサ装置を提供すること、更には、このようなセンサ装置を備えた伸縮構造体を提供することにある。
　本発明者らは、鋭意検討した結果、面方向に可逆的に変形可能なシート状の誘電層と、その両面に誘電層に追従して変形可能な電極層とを備えたセンサ素子を用いたセンサ装置が上記目的を達成するのに適していることを見出し、本発明を完成した。
　本発明のセンサ装置は、エラストマー組成物からなるシート状の誘電層と、カーボンナノチューブを含有する導電性組成物からなり、上記誘電層の表面及び裏面のそれぞれに上記誘電層を挟んで少なくとも一部が対向するよう形成された電極層とを有し、上記電極層の対向する部分を検出部とし、上記誘電層の主面の面積が変化するように可逆的に変形するセンサ素子と、上記センサ素子と電気的に接続され、上記誘電層の変形に応じて変化する上記検出部の静電容量を電気特性に変換する変換器と、上記電気特性を五感のいずれかで認識可能な情報として出力する出力器とを備えることを特徴とする。
　本発明のセンサ装置において、上記誘電層は、その主面の面積が無伸長状態から３０％以上増大するように変形可能であることが好ましい。
　本発明のセンサ装置において、上記情報は、音による情報及び光による情報の少なくとも一方であることが好ましい。
　本発明の伸縮構造体は、伸縮可能な器具本体と、上記器具本体と一体化された本発明のセンサ装置とを備え、上記器具本体の伸縮に追従して上記センサ素子が伸縮することを特徴とする。
　本発明の伸縮構造体において、上記器具本体は、エキスパンダー又はリハビリチューブであることが好ましい。
　本発明のセンサ装置では、センサ素子を構成するシート状の誘電層がエラストマー組成物からなり、電極層がカーボンナノチューブを含有する導電性組成物からなる。そのため、誘電層は面方向に大きく変形することが可能であり、電極層もまた誘電層の変形に追従して変形することが可能である。従って、本発明のセンサ装置によれば、測定対象物が大きく変形（伸縮）するものであってもその変形状態を測定することができる。
　また、本発明の伸縮構造体では、伸縮可能な器具本体に本発明のセンサ装置が一体化されている。そのため、上記伸縮構造体では、器具本体の変形（伸縮）状態を上記センサ装置により確実に認識することができる。
本発明のセンサ装置の一例を示す概略図である。 （ａ）は、本発明のセンサ装置を構成するセンサ素子の一例を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。 本発明のセンサ装置が備える誘電層の作製に使用する成型装置の一例を説明するための模式図である。 （ａ）～（ｅ）は、それぞれ本発明の伸縮構造体の一例を模式的に示す図である。 （ａ）～（ｄ）は、実施例におけるセンサ素子の作製工程を説明するための斜視図である。 実施例で作製したセンサ装置を示す概略図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　本発明のセンサ装置は、エラストマー組成物からなるシート状の誘電層と、カーボンナノチューブを含有する導電性組成物からなり、上記誘電層の表面及び裏面のそれぞれに上記誘電層を挟んで少なくとも一部が対向するよう形成された電極層とを有し、上記電極層の対向する部分を検出部とし、上記誘電層の主面の面積が変化するように可逆的に変形するセンサ素子と、上記センサ素子と電気的に接続され、上記誘電層の変形に応じて変化する上記検出部の静電容量を電気特性に変換する変換器と、上記電気特性を五感のいずれかで認識可能な情報として出力する出力器とを備えることを特徴とする。
　図１は、本発明のセンサ装置の一例を示す概略図である。
　図２（ａ）は本発明のセンサ装置を構成するセンサ素子の一例を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。
　本発明に係るセンサ装置１は、図１に示すように、静電容量を検出するセンサ素子２と、センサ素子２と電気的に接続され、センサ素子２で検出された静電容量を電気特性に変換する変換器３と、変換器３と電気的に接続され、上記電気特性を発光情報等の五感で認識可能な情報として出力する出力器４とを備えている。
　変換器３は、静電容量Ｃを周波数信号Ｆに変換するためのシュミットトリガ発振回路３ａと、周波数信号Ｆを電圧信号Ｖに変換するＦ／Ｖ変換回路３ｂを備える。変換器３は、センサ素子２の検出部で検出された静電容量Ｃを周波数信号Ｆに変換した後、更に電圧信号Ｖに変換し、出力器４に送信する。変換器３では、電圧信号をアンプ（図示せず）で増幅した後、出力器４に送信してもよい。
　出力器４は、ＰＩＣ制御回路４ａと発光色の異なる複数のＬＥＤ素子を並べたＬＥＤ表示部４ｂとを備える。出力器４は、変換器３から受信した電圧信号に応じて、ＰＩＣ制御回路４ａを介して所定のＬＥＤ素子を点灯させる。
　センサ素子２は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、エラストマー組成物からなるシート状の誘電層１１と、誘電層１１の表面（おもて面）に積層された表側電極層１２Ａと、誘電層１１の裏面に積層された裏側電極層１２Ｂと、表側電極層１２Ａに連結された表側配線１３Ａと、裏側電極層１２Ｂに連結された裏側配線１３Ｂと、表側配線１３Ａの表側電極層１２Ａと反対側の端部に取り付けられた表側接続部１４Ａと、裏側配線１３Ｂの裏側電極層１２Ｂと反対側の端部に取り付けられた裏側接続部１４Ｂと、誘電層１１の表側及び裏側のそれぞれに積層された表側保護層１５Ａ及び裏側保護層１５Ｂとを備える。
　表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは、同一の平面視形状を有しており、誘電層１１を挟んで表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとは全体が対向している。センサ素子２では、表側電極層１２Ａと裏側電極層１２Ｂとの対向した部分が検出部となる。
　なお、本発明において、センサ素子が備える表側電極層と裏側電極層とは、必ずしも誘電層を挟んでその全体が対向している必要はなく、少なくともその一部が対向していればよい。
　このようなセンサ素子は、誘電層がエラストマー組成物からなるため、面方向に変形（伸縮）可能である。上記センサ素子では、誘電層が面方向に変形した際に、その変形に追従して表側電極層及び裏側電極層（以下、特に区別する必要がない場合には、両者を合わせて単に電極層ともいう）、並びに、保護層が変形する。
　そして、上記電極層の変形に伴い、上記検出部の静電容量が誘電層の変形量と相関をもって変化する。よって、上記検出部の静電容量の変化を検出することで、センサ素子の変形量を検出することができる。
　以下、本発明のセンサ装置が備える各部材について詳細に説明する。
　＜センサ素子＞
　＜＜誘電層＞＞
　上記誘電層は、エラストマー組成物からなるシート状物である。上記誘電層は、その主面の面積が変化するように可逆的に変形することができる。
　上記エラストマー組成物としては、エラストマーと、必要に応じて他の任意成分とを含有するものが挙げられる。
　上記エラストマーとしては、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、水素添加ニトリルゴム、ウレタンゴム等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、２種以上併用してもよい。
　これらのなかでは、ウレタンゴム、シリコーンゴムが好ましい。永久歪み（または永久伸び）が小さいからである。更に、シリコーンゴムに比べ、カーボンナノチューブとの密着性に優れる点から、ウレタンゴムが特に好ましい。
　上記ウレタンゴムは、少なくともポリオール成分とイソシアネート成分とが反応してなるものである。上記ウレタンゴムの具体例としては、例えば、オレフィン系ポリオールをポリオール成分とするオレフィン系ウレタンゴム、エステル系ポリオールをポリオール成分とするエステル系ウレタンゴム、エーテル系ポリオールをポリオール成分とするエーテル系ウレタンゴム、カーボネート系ポリオールをポリオール成分とするカーボネート系ウレタンゴム、ひまし油系ポリオールをポリオール成分とするひまし油系ウレタンゴム等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、２種以上併用してもよい。また、上記ウレタンゴムは、２種以上の上記ポリオール成分を併用したものであってもよい。
　上記オレフィン系ポリオールとしては、例えば、エポール（出光興産社製）等が挙げられる。
　また、上記エステル系ポリオールとしては、例えば、ポリライト８６５１（ＤＩＣ社製）等が挙げられる。
　また、上記エーテル系ポリオールとしては、例えば、ポリオキシテトラメチレングリコール、ＰＴＧ－２０００ＳＮ（保土谷化学工業社製）、ポリプロピレングリコール、プレミノールS３００３（旭硝子社製）、パンデックスＧＣＢ－４１（ＤＩＣ社製）等が挙げられる。
　また、上記ウレタンゴムを合成する際には、その反応系中に必要に応じて、鎖延長剤、架橋剤、触媒、加硫促進剤等を加えてもよい。
　また、上記エラストマー組成物は、エラストマー以外に、可塑剤、酸化防止剤、老化防止剤、着色剤等の添加剤を含有してもよい。
　更に、上記エラストマー組成物は、チタン酸バリウム等の誘電フィラーを含有していてもよい。これにより、誘電層の静電容量Ｃを大きくすることができ、その結果、センサ素子の検出感度を高めることができるからである。
　上記誘電フィラーを含有する場合、上記エラストマー組成物中におけるその含有量は、通常、０体積％より多く、２５体積％以下程度である。誘電フィラーの含有量が２５体積％を超えると、誘電層の硬度が高くなったり、永久歪みが大きくなったりすることがある。また、ウレタンゴム製の誘電層の成形する場合には、硬化前の液粘度が高くなるため厚さの均一な誘電層を形成することが難しくなることがある。
　上記誘電層の平均厚さは、静電容量Ｃを大きくして検出感度の向上を図る観点、及び、測定対象物への追従性の向上を図る観点から、１０～１０００μｍであることが好ましい。より好ましくは、３０～２００μｍである。
　上記誘電層は、その主面の面積が無伸長状態から３０％以上増大するように変形可能であることが好ましい。このような特性を有する誘電層は、測定対象物に貼り付けて使用する場合に、測定対象物の変形に追従して変形するのに適している。
　ここで、３０％以上増大するように変形可能であるとは、荷重をかけて面積を３０％増大させても破断することがなく、かつ、荷重を解放すると元の状態に復元する（即ち、弾性変形範囲にある）ことを意味する。
　上記誘電層の主面の面積の増大するように変形可能な範囲は、５０％以上であることがより好ましく、１００％以上であることが更に好ましく、２００％以上であることが特に好ましい。
　上記誘電層の面方向の変形可能な範囲は、誘電層の設計（材質や形状等）により制御することができる。
　上記誘電層の常温における比誘電率は、２以上が好ましく、５以上がより好ましい。誘電層の比誘電率が２未満であると、静電容量Ｃが小さくなり、センサ素子として充分な感度が得られないおそれがある。
　上記誘電層のヤング率は、０．１～１０ＭＰａであることが好ましい。ヤング率が０．１ＭＰａ未満であると、誘電層が軟らかすぎ、高品質な加工が難しく、充分な測定精度が得られないことがある。一方、ヤング率が１０ＭＰａを超えると、誘電層が硬すぎ、例えば、伸縮可能な器具本体に取り付けた際に上記器具本体の変形を阻害するおそれがある。
　上記誘電層の硬さは、ＪＩＳ　Ｋ　６２５３に準拠したタイプＡデュロメータを用いた硬さ（ＪＩＳ　Ａ硬さ）で、０～３０°であるか、又は、ＪＩＳ　Ｋ　７３２１に準拠したタイプＣデュロメータを用いた硬さ（ＪＩＳ　Ｃ硬さ）で１０～５５°が好ましい。
　誘電層が軟らかすぎると高品質な加工が難しく、充分な測定精度を確保することができない場合がある。一方、誘電層が硬すぎると、例えば、伸縮可能な器具本体に取り付けた際に上記器具本体の変形を阻害するおそれがある。
　＜＜電極層＞＞
　上記電極層（表側電極層及び裏側電極層）は、カーボンナノチューブを含有する導電性組成物からなるものである。
　上記カーボンナノチューブとしては公知のカーボンナノチューブを使用することができる。上記カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）であってもよいし、２層カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴ）又は３層以上の多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）であってもよい（本明細書では、両者を合わせて単に多層カーボンナノチューブと称する）。更に、本発明では、層数の異なるカーボンナノチューブを２種以上併用してもよい。
　また、各カーボンナノチューブの形状（平均長さや繊維径、アスペクト比）も特には限定されず、センサ装置の使用目的や、センサ素子に要求される導電性や耐久性、更には電極層を形成するための処理や費用を総合的に判断して適宜選択すればよい。
　上記カーボンナノチューブは、その平均長さが５０μｍ以上のカーボンナノチューブであることが好ましい。
　このような繊維長さが長いカーボンナノチューブを用いて形成された電極層は、導電性に優れ、誘電層の変形に追従して変形した際（特に伸長した際）に電気抵抗がほとんど増大せず、更に、繰り返し伸縮しても電気抵抗のバラツキが小さい、との優れた特性を有する。
　これに対し、カーボンナノチューブの平均長さが５０μｍ未満では、電極層の変形に伴って電気抵抗が増大したり、電極層を繰返し伸縮させた際に電気抵抗のバラツキが大きくなったりする場合がある。特に、センサ素子（誘電層）の変形量が大きくなった場合にこのような不都合が発生しやすくなる。
　上記カーボンナノチューブの平均長さの好ましい上限は１０００μｍである。平均長さが１０００μｍを超えるカーボンナノチューブは、現時点では、その製造、入手が困難である。また、上記平均長さが１０００μｍを超えると、後述するように、カーボンナノチューブの分散液を塗布して電極層を形成する場合に、カーボンナノチューブの分散性が不充分なため導電パスが形成されにくく、結果的に電極層の導電性が不充分となることが懸念される。
　上記カーボンナノチューブの平均長さの下限は１００μｍが好ましく、上限は６００μｍが好ましい。上記カーボンナノチューブの平均長さが上記範囲内にあると、導電性に優れ、伸長時に電気抵抗がほとんど増大せず、繰り返し伸縮時に電気抵抗のバラツキが小さい、との優れた特性を高いレベルでより確実に確保することができる。
　上記カーボンナノチューブの繊維長さは、カーボンナノチューブを電子顕微鏡で観察し、その観察画像から測定すればよい。
　また、上記カーボンナノチューブの平均長さは、例えば、カーボンナノチューブの観察画像から無作為に選んだ１０箇所のカーボンナノチューブの繊維長さに基づき平均値を算出すればよい。
　上記カーボンナノチューブの平均繊維径は特に限定されないが、０．５～３０ｎｍが好ましい。
　上記繊維径が０．５ｎｍ未満では、カーボンナノチューブの分散が悪くなり、その結果、導電パスが広がらず、電極層の導電性が不充分になることがある。一方、３０ｎｍを超えると、同じ重量でもカーボンナノチューブの本数が少なくなり、導電性が不充分になることがある。上記カーボンナノチューブの平均繊維径は５～２０ｎｍがより好ましい。
　上記カーボンナノチューブは、多層カーボンナノチューブの方が単層カーボンナノチューブよりも好ましい。
　単層カーボンナノチューブを用いた場合、上述した好ましい範囲の平均長さを有するカーボンナノチューブを用いた場合でも、電気抵抗が高くなったり、伸長時に電気抵抗が大きく増大したり、繰り返し伸縮時に電気抵抗が大きくばらついたりすることがある。
　これについては次のように推測している。即ち、単層カーボンナノチューブは、通常、金属性カーボンナノチューブと半導体性カーボンナノチューブとの混合物として合成されるため、この半導体性カーボンナノチューブの存在が、電気抵抗が高くなったり、伸長時に電気抵抗が大きく増大したり、繰り返し伸縮時に電気抵抗が大きくばらついたりする原因となっていると推測している。
　なお、金属性カーボンナノチューブと半導体性カーボンナノチューブとを分離し、平均長さの長い金属性の単層カーボンナノチューブを用いれば、平均長さの長い多層カーボンナノチューブを用いた場合と同様の電気特性を備えた電極層を形成することができる可能性がある。しかしながら、金属性カーボンナノチューブと半導体性カーボンナノチューブとの分離は容易ではなく（特に、繊維長さの長いカーボンナノチューブにおいて）、両者の分離には煩雑な作業が必要となる。そのため、電極層を形成する際の作業容易性、及び、経済性の観点からも上述した通り、上記カーボンナノチューブとしては多層カーボンナノチューブが好ましい。
　上記カーボンナノチューブは、炭素純度が９９重量％以上であることが好ましい。カーボンナノチューブは、その製造工程において、触媒金属や分散剤等が含まれることがあり、このようなカーボンナノチューブ以外の成分（不純物）を多量に含有するカーボンナノチューブを用いた場合、導電性の低下や、電気抵抗のバラツキを引き起こすことがある。
　上記カーボンナノチューブは、従来公知の製造方法で製造されたものであればよいが、基板成長法により製造されたものが好ましい。
　基板成長法は、ＣＶＤ法の１種であり、基板上に塗布した金属触媒に炭素源を供給することで成長させてカーボンナノチューブを製造する方法である。基板成長法は、比較的繊維長さが長く、かつ、繊維長さの揃ったカーボンナノチューブを製造するのに適した製造方法である。そのため、本発明で使用するカーボンナノチューブの製造方法として適している。
　上記カーボンナノチューブが基板成長法により製造されたものである場合、カーボンナノチューブの繊維長さは、ＣＮＴフォレストの成長長さと実質的に同一である。そのため、このカーボンナノチューブの繊維長さを電子顕微鏡を用いて測定する場合は、ＣＮＴフォレストの成長長さを測定すればよい。
　上記導電性組成物は、カーボンナノチューブ以外に、例えば、バインダー成分を含有していてもよい。
　上記バインダー成分はつなぎ材料として機能し、上記バインダー成分を含有させることにより、電極層と誘電層との密着性、及び、電極層自体の強度を向上させることができる。更に、上記バインダー成分を含有する場合、後述の方法で電極層を形成する際にカーボンナノチューブの飛散を抑制することができるため、電極層形成時の安全性も高めることができる。
　上記バインダー成分としては、例えば、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレン、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ポリスチレン、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ポリメタクリル酸メチル、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、アクリルゴム、スチレン－エチレン－ブチレン－スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）等が挙げられる。
　また、上記バインダー成分としては、生ゴム（天然ゴム及び合成ゴムの加硫させていない状態のもの）も使用することができる。生ゴムのように比較的弾性の弱い材料を用いることで、誘電層の変形に対する電極層の追従性も高めることができる。
　上記バインダー成分は、その溶解度パラメータ（ＳＰ値［ｃａｌ／ｃｍ３）１／２］）が誘電層を構成するエラストマーと近いものが好ましく、両者の溶解度パラメータ（ＳＰ値）の差の絶対値が１以下のものがより好ましい。溶解度パラメータが近いほど、誘電層と電極層との密着性が向上するからである。本発明において、上記ＳＰ値はＦｅｄｏｒｓの推算法により算出した値である。
　上記バインダー成分は、特に、誘電層を構成するエラストマーと同種のものが好ましい。誘電層と電極層との密着性を顕著に向上させることができるからである。
　上記導電性組成物は、カーボンナノチューブ及びバインダー成分以外に、更に各種添加剤を含有してもよい。上記添加剤としては、例えば、カーボンナノチューブの分散性を高めるための分散剤、バインダー成分のための架橋剤、加硫促進剤、加硫助剤、更には、老化防止剤、可塑剤、軟化剤、着色剤等が挙げられる。
　ここで、上記導電性組成物が可塑剤を含有し、かつ、誘電層を形成するためのエラストマー組成物もまた可塑剤を含有する場合には、両組成物において可塑剤濃度は同一であることが好ましい。誘電層と電極層との間での可塑剤の移行を防止し、センサ素子における反りやシワの発生等を抑制することができるからである。
　上記センサ素子では、電極層が実質的にカーボンナノチューブのみで形成されていてもよい。この場合も誘電層との間で充分な密着性を確保することができる。この場合、カーボンナノチューブと誘電層とはファンデルワールス力等により強固に密着している。
　上記電極層中のカーボンナノチューブの含有量は導電性が発現する濃度であれば特に限定されない。上記カーボンナノチューブの含有量は、バインダー成分を含有する場合にはバインダー成分の種類によっても異なるが、電極層の全固形成分に対して０．１～１００重量％であることが好ましい。
　また、上記カーボンナノチューブの含有量を高めれば、電極層の導電性を向上させることができる。そのため、電極層を薄くしても要求される導電性を確保することができ、その結果、電極層を薄くしたり、電極層の柔軟性を確保したりすることがより容易になる。
　上記電極層の平均厚さは、０．１～１０μｍであることが好ましい。電極層の平均厚さが上記範囲にあると、電極層が誘電層の変形に対してより優れた追従性を発揮することができる。
　一方、上記平均厚さが０．１μｍ未満では、導電性が不足し、センサ素子としての測定精度が低下するおそれがある。一方、上記平均厚さが、１０μｍを超えるとカーボンナノチューブの補強効果によりセンサ素子が硬くなり、センサ素子の伸縮性が低下する。その結果、上記センサ素子を伸縮可能な器具本体に取り付けた際に、器具本体への追従性が低下したり、器具本体の変形を阻害したりすることがある。
　本発明において、「電極層の平均厚さ」はレーザー顕微鏡（例えば、キーエンス社製、ＶＫ－９５１０）を用いて測定することができる。具体的には、例えば、誘電層の表面に形成された電極層の厚さ方向を０．０１μｍ刻みでスキャンし、その３Ｄ形状を測定した後、誘電層上の電極層が積層されている領域及び積層されていない領域において、それぞれ縦２００×横２００μｍの矩形領域の平均高さを計測し、その平均高さの段差を電極層の平均厚さとすればよい。
　上記電極層の透明性は特に限定されず、透明（例えば、可視光（５５０ｎｍ光）透過率が８５％以上）であってもよいし、不透明であってもよい。なお、上記電極層を透明にする場合には、カーボンナノチューブに対して高度な分散化処理や精製処理等の前処理が必要となり、電極層の形成工程が煩雑となり経済的にも不利となる。一方、電極層の透明性は静電容量型センサシートとしての性能には影響しない。そのため、静電容量型センサシートとして透明性が要求される場合には透明な電極層を形成すればよく、そうでない場合には不透明な電極層を形成すればよい。
　＜＜その他＞＞
　上記センサ素子は、図２に示した例のように、必要に応じて、電極層と接続された表側配線及び裏側配線が形成されていてもよい。
　上記配線（表側配線及び裏側配線）は、誘電層の変形を阻害せず、かつ、誘電層が変形しても導電性が維持されるものであればよい。具体例としては、例えば、上記電極層と同様の材質からなるものが挙げられる。
　更に、上記表側配線及び上記裏側配線のそれぞれの電極層と反対側の端部には、図２に示した例のように、必要に応じて、外部配線と接続するための表側接続部及び裏側接続部が形成されていてもよい。上記裏側接続部としては、例えば、銅箔等を用いて形成されたものが挙げられる。
　上記センサ素子は、図２に示した例のように、必要に応じて、表側の最外層及び／又は裏側の最外層に保護層（表側保護層及び／又は裏側保護層）が積層されていてもよい。
　上記保護層を設けることにより、センサ素子の強度や耐久性を高めたり、センサ素子の表面を粘着性の無い表面としたりすることができる。
　上記保護層の材質は特に限定されず、その要求特性に応じて適宜選択すればよい。具体例としては、例えば、上記誘電層の材質と同様のもの等が挙げられる。
　上記センサ素子は、無伸長状態から一軸方向に１００％伸長させた後、無伸長状態に戻すサイクルを１サイクルとする伸縮を１０００サイクル繰返した際に、２サイクル目の１００％伸長時の上記電極層の電気抵抗に対する、１０００サイクル目の１００％伸長時の上記電極層の電気抵抗の変化率（[１０００サイクル目、１００％伸長時の電気抵抗値]－[２サイクル目、１００％伸長時の電気抵抗値]の絶対値〕／[２サイクル目、１００％伸長時の電気抵抗値]×１００）が小さいことが好ましい。具体的には、１０％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましい。
　ここで、１サイクル目ではなく、２サイクル目の以降の電極層の電気抵抗を評価対象としている理由は、未伸長状態から伸長させた１回目（１サイクル目）の伸長時には、伸長時の電極層の挙動（電気抵抗の変動の仕方）が２回目（２サイクル目）以降の伸縮時と大きく異なるからである。この理由については、センサ素子を作製した後、１回伸長させることによって初めて電極層を構成するカーボンナノチューブの状態が安定化するからだと推測している。
　上記センサ素子は、例えば、下記工程を経ることにより製造することができる。即ち、
（１）エラストマー組成物からなる誘電層を作製する工程（工程（１））、及び、
（２）カーボンナノチューブ及び分散媒を含む組成物を誘電層に塗布し、電極層（表側電極層及び裏側電極層）を形成する工程（工程（２））、
を経ることより製造することができる。
［工程（１）］
　本工程では、エラストマー組成物からなる誘電層を作製する。
　まず、原料組成物としてエラストマー（又はその原料）に、必要に応じて、鎖延長剤、架橋剤、加硫促進剤、触媒、誘電フィラー、可塑剤、酸化防止剤、老化防止剤、着色剤等の添加剤を配合した原料組成物を調製する。次に、この原料組成物を成形することにより誘電層を作製する。なお、成形方法としては従来公知の手法を採用することができる。
　具体的には、例えば、ウレタンゴムを含む誘電層を成形する場合には下記の方法等を用いることができる。
　まず、ポリオール成分、可塑剤及び酸化防止剤を計量し、加熱、減圧下において一定時間撹拌混合し、混合液を調製する。次に、混合液を計量し、温度を調整した後、触媒を添加しアジター等で撹拌する。その後、所定量のイソシアネート成分を添加し、アジター等で撹拌後、即座に混合液を図３に示す成形装置に注入し、保護フィルムでサンドイッチ状にして搬送しつつ架橋硬化させ、保護フィルム付きの所定厚みのロール巻シートを得る。その後、炉で一定時間後架橋させることで誘電層を製造することができる。
　図３は、誘電層の作製に使用する成形装置の一例を説明するための模式図である。図３に示した成形装置３０では、原料組成物３３を、離間して配置された一対のロール３２、３２から連続的に送り出されるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製の保護フィルム３１の間隙に流し込み、その間隙に原料組成物３３を保持した状態で硬化反応（架橋反応）を進行させつつ、加熱装置３４内に導入し、原料組成物３３を一対の保護フィルム３１間で保持した状態で熱硬化させ、シート状の誘電層３５を成形する。
　上記誘電層は、原料組成物を調製した後、各種コーティング装置、バーコート、ドクターブレードなどの汎用の成膜装置や成膜方法を用いて作製してもよい。
［工程（２）］
　本工程では、カーボンナノチューブ及び分散媒を含む組成物（カーボンナノチューブ分散液）を塗布し、その後、乾燥処理にて分散媒を除去することにより、上記誘電層と一体化された電極層を形成する。
　具体的には、まず、カーボンナノチューブを分散媒に添加する。このとき、必要に応じて、バインダー成分（又は、バインダー成分の原料）等の上述した他の成分や分散剤を更に添加してもよい。
　次に、湿式分散機を用いてカーボンナノチューブを含む各成分を分散媒中に分散（又は溶解）させることにより塗布液（カーボンナノチューブ分散液）を調製する。具体的には、例えば、超音波分散機、ジェットミル、ビーズミルなど既存の分散機を用いてカーボンナノチューブを含む各成分を分散させればよい。
　上記分散媒としては、例えば、トルエン、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、アルコール類、水等が挙げられる。これらの分散媒は、単独で用いてもよいし、２種以上併用してもよい。
　上記塗布液において、カーボンナノチューブの濃度は、０．０１～１０重量％が好ましい。上記濃度が０．０１重量％未満では、カーボンナノチューブの濃度が薄すぎて繰返し塗布する必要が生じる場合がある。一方、１０重量％を超えると、塗布液の粘度が高くなりすぎ、また再凝集によりカーボンナノチューブの分散性が低下し、均一な電極層を形成することが困難となる場合がある。
　続いて、スプレーコート等により上記誘電層の表面の所定の位置に塗布液を塗布して乾燥させる。このとき、必要に応じて、誘電層表面の電極層を形成しない位置をマスキングしてから上記塗布液を塗布してもよい。
　上記塗布液の乾燥条件は特に限定されず、分散媒の種類やエラストマー組成物の組成等に応じて適宜選択すればよい。
　また、上記塗布液を塗布する方法は、スプレーコートに限定されるわけではない。他の塗布方法としては、例えば、スクリーン印刷法、インクジエット印刷法等も採用することができる。
　なお、場合によっては、上記電極層を形成する前に、上記誘電層と上記電極層との密着性を高めるべく、誘電層の表面に前処理を施してもよい。しかしながら、上記カーボンナノチューブを用いて形成された電極層と上記誘電層とは極めて優れた密着性を有している。そのため、上記前処理を施さなくても誘電層と電極層との間で充分な密着性を確保することができる。
　上記（１）及び（２）の工程を経て誘電層及び電極層を形成した後には、必要に応じて、上記電極層と接続された配線（表側配線及び裏側配線）並びに接続部（表側接続部及び裏側接続部）を形成する。
　上記電極層と接続された配線の形成は、例えば、上記電極層の形成と同様の方法を用いて、所定の箇所に上記カーボンナノチューブ分散液（塗布液）を塗布し、乾燥させること等により行うことができる。また、上記配線の形成は上記電極層の形成と同時に行ってもよい。
　上記接続部の形成は、例えば、上記配線の所定の端部に銅箔等を取り付けること等により行うことができる。
　また、上記電極層を形成し、必要に応じて上記配線や上記接続部を形成した後には、更に、表側及び／又は裏側の最外層に保護層を形成してもよい。
　上記保護層の形成は、例えば、上記（１）の工程と同様の方法を用いてエラストマー組成物からなるシート状物を作製した後、所定のサイズに裁断し、それをラミネートすること等により形成することができる。
　また、保護層を備えたセンサ素子を作製する場合は、裏側の保護層から出発し、その上に順次構成部材（裏側電極層、誘電層、表側電極層、表側保護層）を積層することにより、センサ素子を作製してもよい。
　このような工程を経ることにより、上記センサ素子を製造することができる。
　図２（ａ）、（ｂ）に示したセンサ素子は、検出部を１つ備えたものであるが、本発明のセンサ装置を構成するセンサ素子において、検出部の数は１つに限定されるわけではなく、複数の検出部を備えたものであってもよい。
　複数の検出部を備えたセンサ素子の具体例としては、例えば、表側電極層及び裏側電極層として複数列の帯状の電極層が誘電層の表面及び裏面に形成され、かつ、平面視した際に、表側電極層の列と裏側電極層の列とが直交するように配置されたセンサ素子が挙げられる。このようなセンサ素子では表側電極層及び裏側電極層が誘電層を挟んで対向する複数の部分が検出部となり、その検出部が格子状に配置されていることとなる。
　＜変換器＞
　上記変換器は、上記センサ素子と電気的に接続されている。上記変換器は、上記誘電層の変形に応じて変化する上記検出部の静電容量を測定し、その静電容量を他の電気特性に変換する機能を有する。
　上記静電容量を他の電気特性に変換する方法としては特に限定されず、従来公知の手法を採用することができる。上記他の電気特性としては、例えば、周波数信号、電圧信号等が挙げられる。
　静電容量を周波数信号に変換する方法は特に限定されず従来公知の方法を用いることができ、例えば、上述したようなシュミットトリガ発振回路を用いる方法等が挙げられる。シュミットトリガ発振回路を用いる方法は、センサ装置の小型化に適しており、かつ、低コストで発振器（センサ装置）を提供することが可能となる。
　上記変換器では、例えば、上記周波数信号を更に電圧信号に変換してもよい。この変換は、公知のＦ／Ｖ変換回路を用いて行えばよい。勿論、公知の方法を用いて、静電容量を直接電圧信号に変換してもよい。
　このような変換器は、静電容量を他の電気特性に変換した後、上記周波数信号や上記電圧信号等を上記出力器に送信する。
　更に、上記変換器は、シュミットトリガ発振回路等を用いて静電容量を周波数信号に変換した後、この周波数信号を２つの信号に分配し、その後、一方の信号は上述したように電圧信号等の他の信号に変換し、残りの信号は周波数信号のまま出力器に送信してもよい。勿論、３つ以上の信号に分配してもよい。
　上記変換器は、例えば、周波数信号や電圧信号等を増幅させるためのアンプや、周波数信号の周波数を変換するための分周器等を備えていてもよい。
　上記変換器において、上記センサ素子における静電容量をどのような電気特性（電気信号）に変換するかは、上記出力器から出力する情報の種類も考慮して決定すればよい。
　＜出力器＞
　上記出力器は、上記変換器から出力された電気特性（電気信号）を五感のいずれかで認識可能な情報として出力する機能を有する。
　上記五感のいずれかで認識可能な情報は、視覚又は聴覚で認識可能な情報であることが好ましい。特に、上述したようなＬＥＤ素子等による発光情報（光による情報）や、音による情報であることが好ましい。これらの情報であれば、ユーザーは、容易にかつ確実に情報を認識することができ、更には、センサ装置の使用と同時に（センサ装置を使用しながら）情報を入手するのに適しているからである。
　また、ユーザーの状態（例えば、視力に衰えがあるものの聴力は正常である場合や、その逆の場合等）に応じて、出力する情報の種類を選択することもできる。
　図１に示す例のように、出力器がＰＩＣ制御回路と複数のＬＥＤ素子を並べたＬＥＤ表示部とからなる場合、上記ＬＥＤ表示部としては、例えば、センサ素子が未変形の状態ではすべてのＬＥＤ素子が消灯しており、センサ素子の変形量が大きくなるにつれ、点灯するＬＥＤ素子の数が順次増加するように構成されたＬＥＤ表示部等が挙げられる。また、このようなＬＥＤ表示部では、各ＬＥＤ素子が、異なる色で発光するものでもよいし、同一色で発光するものであってもよい。更に、上記ＬＥＤ表示部において、ＬＥＤ素子は発光強度が変化するものであってもよい。また、上記ＬＥＤ表示部におけるＬＥＤ素子の数は１個であってもよい。
　なお、本発明のセンサ装置において、図１に示す例のようにＰＩＣ制御回路を使用する場合、ＰＩＣ制御回路に上記変換器の機能を併せて組み込んでもよい。
　上記出力器が音による情報を出力する場合には、例えば、上記出力器はオーディオアンプとスピーカとを備えており、センサ素子の変形量の大小に合わせて音の高低が変化（変形量が小さいと高音で鳴り、変形量が大きいと低音で鳴る等）したり、音の大小が変化したりするように構成されている。
　また、上記出力器が音による情報を出力する場合、その情報は音声であってもよい。
　なお、上記出力器において、音による情報や発光情報等の五感で認識可能な情報を出力する具体的な手段としては従来公知の手法を適宜採用すればよい。
　図１に示したセンサ装置１において、変換器３と出力器４との接続は有線で行われている。しかしながら、本発明のセンサ装置においてこれらの接続は必ずしも有線で行われている必要はなく、無線で接続されていてもよい。上記センサ装置の使用態様によっては、変換器と出力器とが物理的に分離されている方が使用しやすい場合もある。この場合、例えば、パソコン、スマートフォン、タブレット等の端末機器に上記出力器としての機能を付与しておくことにより、上記端末機器を音や光、画像、数値情報等の五感で認識可能な情報を出力する出力器とすることもできる。
　このようなセンサ装置では、誘電層の変形（伸縮）に応じて検出部の静電容量が変化するため、その静電容量を音による情報や発光情報等として出力することによりセンサ素子の変形状態をユーザーは認識することができる。
　従って、例えば、上記センサ素子を変形可能な測定対象物に貼り付けて使用することによりその変形状態を知ることができる。
　そのほか、上記センサ装置は、例えば、ユーザーが能動的にセンサ素子を変形させることにより、ユーザーの意図を反映した情報を発信する情報発信機としても使用することができる。具体的には、例えば、発信する情報が音による情報である場合には、音源や音声発生器としても使用することができる。
　次に、本発明の伸縮構造体について図面を参照しながら説明する。
　本発明の伸縮構造体は、伸縮可能な器具本体と、上記器具本体と一体化された本発明のセンサ装置とを備え、上記器具本体の伸縮に追従して上記センサ素子が伸縮することを特徴とする。
　図４（ａ）は、本発明の伸縮構造体の一例を模式的に示す平面図である。
　図４（ａ）に示す伸縮構造体１００は、リハビリチューブ（トレーニングチューブ）の一例である帯状のエラストマーチューブ１０２を器具本体とする伸縮構造体である。伸縮構造体１００では、エラストマーチューブ１０２と本発明のセンサ装置１０１とが一体化されている。具体的には、エラストマーチューブ１０２の表面にセンサ装置１０１を構成するセンサ素子１０１ａが粘着層（図示せず）を介して貼り付けられるとともに、変換器及び出力器を内蔵した表示ユニット１０１ｂがリード線１０３を介してセンサ素子と接続されている。ここで、センサ素子１０１ａを貼り付ける粘着層は、センサ素子１０１ａの裏側の表面全体に積層されている。
　伸縮構造体１００では、エラストマーチューブ１０２の長手方向の伸縮に追従してセンサ素子１０１ａも伸縮し、その際、伸縮量に応じてセンサ素子１０１ａの検出部の静電容量が変化する。そして、既に説明したように、表示ユニット１０１ｂに内蔵された出力部より、検出された静電容量に応じた音や光等の情報が出力される。
　そのため、ユーザーは上記伸縮構造体の使用状態、及び、それに基づくユーザー自身の運動状態を把握することができる。
　また、本発明の伸縮構造体では、出力部より出力される情報が音声情報である場合、エラストマーチューブ１０２の伸長率が予め定めておいた伸長率を達成したか否かに応じて、ユーザーを励ましたり、褒めたりする音声を出力するようにしてもよい。これにより、ユーザーのリハビリテーションへの取り組みのモチベーションを更に高めることもできる。また、予め定めておいた伸長率を超えた場合には、オーバーワークであることを通知する音声を出力するようにしておいてもよい。
　本発明の伸縮構造体は、更に上記センサ装置における計測結果を記録するための記憶部を備えていてもよい。これにより上記伸縮構造体を用いた運動結果を記録することができる。上記記憶部を備える伸縮構造体は、特にリハビリテーションに使用するのに好適である。
　専門家の指導の下、リハビリ運動を行う場合、専門家は、リハビリ器具のユーザーに対して運動の種類、強さ、回数、頻度等を処方することが一般に行われている。そして、リハビリ器具として使用する上記伸縮構造体が記憶部を備えている場合、上記出力器から出力される情報に基づき、上記伸縮構造体の使用状態をリアルタイムに確認することができるばかりでなく、運動の種類、強さ、回数、頻度等を上記記憶部に記録することにより、日々のリハビリトレーニングの履歴を確認したり、専門家と情報を共有したりすることができ、更には、記録された情報をリハビリ運動の処方（リハビリプログラム）のフィードバック情報とすることもできる。
　本発明の伸縮構造体は、図４（ｂ）～（ｅ）に示すような構成を備えたものであってもよい。
　図４（ｂ）は、本発明の伸縮構造体の別の一例を模式的に示す斜視図である。
　図４（ｂ）に示す伸縮構造体１１０は、リハビリチューブ（トレーニングチューブ）の一例であるエラストマー製の無端バンド１１２を器具本体とする伸縮構造体である。伸縮構造体１１０では、無端バンド１１２と本発明のセンサ装置１１１とが一体化されている。具体的には、無端バンド１１２の表面にセンサ装置１１１を構成するセンサ素子１１１ａが粘着層（図示せず）を介して貼り付けられるとともに、変換器及び出力器を内蔵した表示ユニット１１１ｂがリード線１１３を介してセンサ素子と接続されている。ここで、センサ素子１１１ａを貼り付ける粘着層は、センサ素子１１１ａの裏側の表面全体に積層されている。
　伸縮構造体１１０は、伸縮構造体１００と同様、無端バンド１１２の伸縮に追従してセンサ素子１１１ａが伸縮し、その伸縮量に応じてセンサ素子１１１ａの検出部の静電容量が変化する。そして、表示ユニット１１１ｂに内蔵された出力部より、検出された静電容量に応じた音や光等の情報が出力され、ユーザーは、伸縮構造体１１０の使用状態を音や光等の情報により認識することができる。
　図４（ｃ）は、本発明の伸縮構造体の別の一例の一部を模式的に示す断面図である。
　図４（ｃ）に示す伸縮構造体１２０は、エラストマー製のチューブ１２２ａ内に金属コイルバネ１２２ｂが内包されたエキスパンダー１２２を器具本体とする伸縮構造体である。伸縮構造体１２０では、エキスパンダー１２２と本発明のセンサ装置１２１とが一体化されている。具体的には、エキスパンダー１２２の表面にセンサ装置１２１を構成するセンサ素子１２１ａが粘着層１２４を介して貼り付けられるとともに、変換器及び出力器を内蔵した表示ユニット１２１ｂがリード線１２３を介してセンサ素子と接続されている。ここで、粘着層１２４は、センサ素子１２１ａの裏側の表面全体に積層されている。
　伸縮構造体１２０は、エキスパンダー１２２の伸縮に追従してセンサ素子１２１ａが伸縮し、その伸縮量に応じてセンサ素子１２１ａの検出部の静電容量が変化する。そして、表示ユニット１２１ｂに内蔵された出力部より、検出された静電容量に応じた音や光等の情報が出力され、ユーザーは、伸縮構造体１２０の使用状態を音や光等の情報により認識することができる。
　図４（ｄ）は、本発明の伸縮構造体の別の一例を模式的に示す断面図である。
　図４（ｄ）に示す伸縮構造体１３０は、略円弧状の湾曲部を有する板バネ１３２ａと、上記湾曲部に積層されたエラストマー層１３２ｂと、板バネ１３２ａの両端部に設けられた把持部１３２ｃとを備えた器具本体１３２と、器具本体１３２に貼り付けられたセンサ装置１３１とからなる伸縮構造体である。具体的には、器具本体１３２のエラストマー層１３２ｂの表面にセンサ装置１３１を構成するセンサ素子１３１ａが粘着層１３４を介して貼り付けられるとともに、変換器及び出力器を内蔵した表示ユニット１３１ｂがリード線１３３を介してセンサ素子と接続されている。ここで、粘着層１３４は、センサ素子１３１ａの裏側の表面全体に積層されている。
　このような伸縮構造体１３０を使用する場合、ユーザーは、把持部１３２ｃを把持し、湾曲部がより湾曲するよう負荷を加えて伸縮構造体１３０を使用する。このとき、湾曲部の曲り具合に応じてエラストマー層１３２ｂが伸縮し、このエラストマー層１３２ｂの伸縮に追従してセンサ素子１３１ａが伸縮し、その伸縮量に応じてセンサ素子１３１ａの検出部の静電容量が変化する。そして、表示ユニット１３１ｂに内蔵された出力部より、検出された静電容量に応じた音や光等の情報が出力され、ユーザーは、伸縮構造体１３０の使用状態を音や光等の情報により認識することができる。
　また、器具本体が図４（ｃ）、（ｄ）に示したような構成を有する場合、即ち、金属コイルバネや金属性の板バネ等、金属製の弾性部材により器具本体の変形が確保され、金属製の弾性部材がエラストマーで被覆されている場合、上記エラストマーとしては充分に軟質なものを使用することができる。そのため、エラストマーに掛かる応力を減少させることができ、エラストマーが疲労しにくく、器具本体の高寿命化を図ることができる。
　図４（ｅ）は、本発明の伸縮構造体の別の一例を模式的に示す斜視図である。
　図４（ｅ）に示す伸縮構造体１４０は、エラストマー製のボール（ゴムボール）１４２を器具本体とする伸縮構造体である。伸縮構造体１４０では、ゴムボール１４２と本発明のセンサ装置１４１とが一体化されている。具体的には、ゴムボール１４２の表面にセンサ装置１４１を構成するセンサ素子１４１ａが粘着層（図示せず）を介して貼り付けられるとともに、変換器及び出力器を内蔵した表示ユニット１４１ｂがリード線１４３を介してセンサ素子と接続されている。ここで、粘着層は、センサ素子１４１ａの裏側の表面全体に積層されている。
　伸縮構造体１４０は、ゴムボール１４２の変形（伸縮）に追従してセンサ素子１４１ａが伸縮し、その伸縮量に応じてセンサ素子１４１ａの検出部の静電容量が変化する。そして、表示ユニット１４１ｂに内蔵された出力部より、検出された静電容量に応じた音や光等の情報が出力され、ユーザーは、伸縮構造体１４０の使用状態を音や光等の情報により認識することができる。
　上記伸縮構造体において、器具本体は、図４（ａ）～（ｅ）に例示されたものに限定されず、伸縮可能なものであればよい。一方、使用時における器具本体の変形（伸縮）量が小さすぎる場合には、上記器具本体に追従して変形するセンサ素子の変形量も小さく、センサ素子における静電容量の変化量が小さすぎることがあり、この場合、正確に器具本体の変化量を測定できないことがある。そのため、上記器具本体は、通常の使用態様において、センサ素子を一体化する（貼り付ける）部分の変形量が、伸長変形率で２０％以上、面積増加率で約１０％以上であることが好ましい。上記範囲の変形量を有する器具本体が本発明のセンサ装置により変形量を検出する対象として特に適しているからである。
　上記器具本体は、図４（ａ）、（ｂ）及び（ｅ）に示した例のようにエラストマーにより伸縮性が確保されるものであってもよいし、図４（ｃ）及び（ｄ）に示した例のように金属製の弾性部材とこの弾性部材の周囲に設けられたエラストマー製の部材とからなり、その伸縮性が主に金属製の弾性体により確保されるものであってもよい。
　ここで、上記エラストマーとしては、例えば、天然ゴム、合成ゴム、熱可塑性エラストマー、熱硬化性ポリウレタン、シリコーンゴム等が挙げられる。
　上記器具本体がエラストマーにより伸縮性が確保されるものである場合、上記エラストマーは、適度な伸度－応力特性（Ｓ－Ｓ特性）を有し、かつ、繰り返し伸縮させても永久伸びの小さいものが好ましい。
　上記エラストマーとしては、繰り返し伸縮時の永久伸びが小さい点から、例えば、天然ゴムや合成ゴムの１種であるイソプレンゴムを架橋したものや、永久伸びが低くなるように設計した熱可塑性エラストマーが好ましい。
　また、上記器具本体が使用時に人体と直接接触する場合、上記器具本体としては、アレルギーの原因物資（例えば、天然ゴムに含まれるタンパク質等）を含有しない材質からなるものを選択することが好ましい。
　また、上記エラストマーの材質は、本発明のセンサ装置を構成する誘電層や保護層の材質と同一であってもよい。この場合、上記器具本体と上記センサ素子とが同様の変形挙動を示し易くなる。
　図４（ａ）～（ｅ）に示した例では、センサ素子を器具本体に貼り付ける際に、センサ素子の裏面側の全体に粘着層を積層してセンサ素子を器具本体に貼り付けている。しかしながら、上記粘着層は必ずしもセンサ素子の裏面側の全体に形成する必要はなく、センサ素子の裏面側の一部にのみ形成されていてもよい。但し、センサ素子が器具本体の変形に追従して変形できるように粘着層を形成する必要がある。
　上記粘着層は従来公知の粘着剤を用いて形成することができ、上記粘着層は、センサ装置や器具本体の変形を阻害せず、これらの変形に追従するものであればよい。
　また、本発明の伸縮構造体において、センサ素子を器具本体に貼り付ける方法は粘着層を形成する方法に限定されず、他の従来公知の粘着（接着）方法を採用してもよい。具体的には、例えば、上記エラストマー組成物や上記導電性組成物、上記器具本体の組成によっては、直接又は適切なエラストマー層を介してセンサ素子と器具本体とを加硫接着する方法等を採用してもよい。
　図４（ａ）～（ｅ）に示した例では、センサ素子のみが器具本体に貼り付けられ、変換器と出力器とを一体化した表示ユニットが別途リード線を介してセンサ素子に接続されている。一方、本発明の伸縮構造体では、例えば、センサ素子と変換器とを一体化したユニットを器具本体に貼り付け、このユニットを別途リード線を介して、又は、無線接続により出力器と接続してもよい。また、上記伸縮構造体では、センサ素子の全部材を器具本体に貼り付けてもよい。
　出力器を無線接続した場合には、使用時に出力器がユーザーの邪魔にならず、また、ユーザーは出力器を認識しやすい位置に載置して伸縮構造体を使用することができる。
　更に、ここまで説明した伸縮構造体では、器具本体とセンサ装置とを粘着層等を介して貼り合わせることにより両者を一体化している。しかしながら、本発明の伸縮構造体は、器具本体とセンサ装置と別々に作製した後、両者を貼り合わせたものに限定されず、器具本体の一部をセンサ装置の構成部材とすることで両者を一体化したものであってもよい。
　具体的には、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示したようなエラストマー製の器具本体の一部を上記センサ素子の誘電層とし、器具本体の一部の両面に器具本体を挟んで対向する電極層を形成することで、器具本体とセンサ素子とが一体化された伸縮構造体としてもよい。
　本発明の伸縮構造体は、伸縮可能な器具本体に本発明のセンサ装置が一体化されている。そのため、器具本体の伸縮に応じた伸縮状態（使用状態）をユーザーに報知することができる。
　本発明の伸縮構造体は、例えば、リハビリ用器具やトレーニング用器具等として好適に使用することができる。
　以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
　図５は、実施例におけるセンサ素子の作製工程を説明するための斜視図である。図６は、実施例で作製したセンサ装置を示す概略図である。
＜センサ装置を備えたリハビリチューブ＞
１．器具本体
　器具本体として、市販のリハビリチューブ（Ｔｈｅｒａ－Ｂａｎｄ(登録商標)、ループタイプ♯ＴＬＢ－１（輸入販売元：Ｄ＆Ｍ社）、円周９０ｃｍ×幅７．５ｃｍ）を使用した。
２．粘着層付きセンサ素子の作製
（１）誘電層の作製
　ポリオール（パンデックスＧＣＢ－４１、ＤＩＣ社製）１００質量部に対して、可塑剤（ジオクチルスルホネート）４０重量部と、イソシアネート（パンデックスＧＣＡ－１１、ＤＩＣ社製）１７．６２重量部とを添加し、アジターで９０秒間撹拌混合し、誘電層用の原料組成物を調製した。次に、原料組成物を図３に示した成形装置３０に注入し、保護フィルム３１でサンドイッチ状にして搬送しつつ、炉内温度７０℃、炉内時間３０分間の条件で架橋硬化させ、保護フィルム付きの所定厚みのロール巻シートを得た。その後、７０℃に調節した炉で１２時間後架橋させ、ポリエーテル系ウレタンエラストマーからなるシートを作製した。得られたウレタンシートを２０ｍｍ×７４ｍｍ×厚さ１００μｍに裁断し、更に、角部の一か所を１０ｍｍ×７ｍｍ×厚さ１００μｍのサイズで切り落とし、誘電層を作製した。
　また、作製した誘電層について、破断時伸び（％）及び比誘電率を測定した。破断時伸び（％）は５０５％、比誘電率は６．６であった。
　上記破断時伸びは、ＪＩＳ　Ｋ　６２５１に準拠して測定した。上記比誘電率は、２０ｍｍΦの電極で誘電層を挟み、ＬＣＲハイテスタ（日置電機社製、３５２２－５０）を用いて計測周波数１ｋＨｚで静電容量を測定した後、電極面積と測定試料の厚さから算出した。
（２）電極層材料の調製
　基板成長法により製造した多層カーボンナノチューブである、大陽日酸社製の高配向カーボンナノチューブ（層数４～１２層、繊維径１０～２０ｎｍ、繊維長さ１５０～３００μｍ、炭素純度９９．５％）３０ｍｇをメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）３０ｇに添加し、ジェットミル（ナノジェットパル　ＪＮ１０－ＳＰ００３、常光社製）を用いて湿式分散処理を施し、１０倍に希釈して濃度０．０１重量％のカーボンナノチューブ分散液を得た。
（３）保護層の作製
　上述した（１）誘電層の作製と同様の方法を用いて、ポリエーテル系ウレタンエラストマー製で、２０ｍｍ×７４ｍｍ×厚さ５０μｍの裏側保護層と、２０ｍｍ×６７ｍｍ×厚さ５０μｍの表側保護層とを作製した。
（４）粘着層の作製
　粘着剤（綜研化学社製、ＳＫ－１７２０）１００重量部に硬化剤（綜研化学社製、Ｌ－４５）２質量部を添加混合した。得られた混合物を、表面が離型処理されたＰＥＴフィルムにバーコーターを用いて成膜し、１００℃、３０分間の条件で硬化させ、硬化後の厚さが５０μｍの粘着層を作製した。
（５）センサ素子の作製
　図５（ａ）～（ｄ）に示した作製工程を経てセンサ素子を作製した。
　まず、上記（３）の工程で作製した裏側保護層２５Ｂの片面（表面）に、離型処理されたＰＥＴフィルムに所定の形状の開口部が形成されたマスク（図示せず）を貼り付けた。
　上記マスクには、裏側電極層及び裏側配線に相当する開口部が設けられており、開口部のサイズは、裏側電極層に相当する部分が幅１６ｍｍ×長さ６０ｍｍ、裏側配線に相当する部分が幅５ｍｍ×長さ１０ｍｍである。
　次に、上記（２）の工程で調製したカーボンナノチューブ分散液７．２ｇを１０ｃｍの距離からエアブラシを用いて塗布し、続いて、１００℃で１０分間乾燥させ、裏側電極層２２Ｂ及び裏側配線２３Ｂを形成した。その後、マスクを剥離した（図５（ａ）参照）。
　次に、裏側電極層２２Ｂの全体及び裏側配線２３Ｂの一部を被覆するように、上記（１）の工程で作製した誘電層２１を裏側保護層２５Ｂ上に貼り合わせることにより積層した。
　更に、誘電層２１の表側に、裏側電極層２２Ｂ及び裏側配線２３Ｂの形成と同様の方法を用いて、表側電極層２２Ａ及び表側配線２３Ａを形成した（図５（ｂ）参照）。
　次に、表側電極層２２Ａ及び表側配線２３Ａを形成した誘電層２１の表側に、表側電極層２２Ａの全体及び表側配線２３Ａの一部を被覆するように、上記（３）の工程で作製した表側保護層２５Ａをラミネートにより積層した。
　更に、表側配線２３Ａ及び裏側配線２３Ｂのそれぞれの端部に銅箔を取り付けて、表側接続部２４Ａ及び裏側接続部２４Ｂとした（図５（ｃ）参照）。その後、表側接続部２４Ａ及び裏側接続部２４Ｂに外部配線となるリード線２９を半田で固定した。
　次に、表側接続部２４Ａ及び裏側接続部２４Ｂの裏側保護層２５Ｂ上に位置する部分に、厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム２７をアクリル粘着テープ（３Ｍ社製、Ｙ－４９０５（厚さ０．５ｍｍ））２６を介して貼り付けて補強した。
　最後に、裏側保護層２５Ｂの裏面側に上記（４）で作製した粘着層２８を貼り付けてセンサ素子２２２を完成した（図５（ｄ）参照）。
３．伸縮構造体（リハビリチューブ）の作製
　上記器具本体の表面に、上記２．で作製した粘着層付きセンサ素子を貼り付けて固定した。
　次に、上記センサ素子に変換器及び出力器を接続し、伸縮構造体を作製した。
　上記伸縮構造体におけるセンサ装置の構成は、図６に示した通りである。
　図６に示したように、センサ装置２２１は、上記（１）～（５）を経て作製したセンサ素子２２２をシュミットトリガ発振回路（無伸長時の発振周波数：１ＫＨｚ）２２３に接続し、オーディオアンプ２２５（ＬＭ４８８９、Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製）を介して、スピーカ２２６（Ｋ３６ＷＰ、Ｖｉｓａｔｏｎ社製）に接続したものである。
　なお、シュミットトリガ発振回路２２３では、シュミットトリガインバータＩＣとして東芝セミコンダクター＆ストレージ社製、Ｓｃｈｍｉｔｔ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ（型番：ＴＣ7Ｗ１４Ｆ）を使用し、抵抗は固定抵抗と可変抵抗とにより構成し、合計の抵抗値を約１．８ＭΩとし、無伸長時の発振周波数が１ｋＨｚになるように可変抵抗で微調節した。
４．伸縮構造体（リハビリチューブ）の動作検証
　上記３．で作製した伸縮構造体（センサ素子２２２の誘電層）を１００％伸長（２倍に伸長）させたところ、検出部の静電容量が約２倍に増加し、シュミットトリガ発振回路から出力される発振周波数が約１／２倍に小さくなることが確認された。更に、伸縮構造体（センサ素子２２２の誘電層）を２００％伸長（３倍に伸長）させたところ、検出部の静電容量が約３倍に増加し、シュミットトリガ発振回路から出力される発振周波数が約１／３倍に小さくなることが確認された。
更に、伸縮構造体を伸長させるにつれ、スピーカ２６から発振される音が高音から低音に変化することも確認された。
１、１０１、１１１、１２１、１３１、１４１、２２１　センサ装置
２、１０１ａ、１１１ａ、１２１ａ、１３１ａ、１４１ａ、２２２　センサ素子
３　変換器
３ａ、２２３　シュミットトリガ発振回路
３ｂ　Ｆ／Ｖ変換回路
４　出力器
４ａ　ＰＩＣ制御回路
４ｂ　ＬＥＤ表示部
１１、２１　誘電層
１２Ａ、２２Ａ　表側電極層
１２Ｂ、２２Ｂ　裏側電極層
１３Ａ、２３Ａ　表側配線
１３Ｂ、２３Ｂ　裏側配線
１４Ａ、２４Ａ　表側接続部
１４Ｂ、２４Ｂ　裏側接続部
１５Ａ、２５Ａ　表側保護層
１５Ｂ、２５Ｂ　裏側保護層
２８　粘着層
１００、１１０、１２０、１３０、１４０　伸縮構造体
１０１ｂ、１１１ｂ、１２１ｂ、１３１ｂ、１４１ｂ　表示ユニット
１０２　エラストマーチューブ
１１２　無端バンド
１２２　エキスパンダー
１３２　器具本体
１４２　ゴムボール
２２５　オーディオアンプ
２２６　スピーカ

Claims (5)

  1. 　エラストマー組成物からなるシート状の誘電層と、カーボンナノチューブを含有する導電性組成物からなり、前記誘電層の表面及び裏面のそれぞれに前記誘電層を挟んで少なくとも一部が対向するよう形成された電極層とを有し、前記電極層の対向する部分を検出部とし、前記誘電層の主面の面積が変化するように可逆的に変形するセンサ素子と、
    　前記センサ素子と電気的に接続され、前記誘電層の変形に応じて変化する前記検出部の静電容量を電気特性に変換する変換器と、
    　前記電気特性を五感のいずれかで認識可能な情報として出力する出力器と
    　を備えることを特徴とするセンサ装置。
  2. 　前記誘電層は、その主面の面積が無伸長状態から３０％以上増大するように変形可能である請求項１に記載のセンサ装置。
  3. 　前記情報は、音による情報及び光による情報の少なくとも一方である請求項１又は２に記載のセンサ装置。
  4. 　伸縮可能な器具本体と、前記器具本体と一体化された請求項１～３のいずれかに記載のセンサ装置とを備え、
    　前記器具本体の伸縮に追従して前記センサ素子が伸縮することを特徴とする伸縮構造体。
  5. 　前記器具本体は、エキスパンダー又はリハビリチューブである請求項４に記載の伸縮構造体。
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